Science封面 | 令人振奋！大豆中过表达三个基因，田间最高增产33%
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阅读： 2022/8/24 8:54:41
2022年8月19日，Science杂志以封面形式发表了来自美国伊利诺伊大学香槟分校Stephen P. Long课题组题为“Soybean photosynthesis and crop yield are improvedby accelerating recovery from photoprotection”的研究论文，该研究在大豆中超表达三个基因进行了工程改造。研究表明在重复的田间试验中五个独立转化植株中的种子产量最高增加了33%，而且种子蛋白质和油含量没有改变。
光合作用中光能的吸收必不可少，而过量吸收的光能会对植物造成损伤。为了适应自然环境中光强不断变化的情况，植物进化出多种光保护机制，以耗散吸收的多余光能，称非光化学淬灭（NPQ）。然而，在作物冠层内发生频繁的遮阳过渡后，NPQ 机制弛豫缓慢，这导致光化学能的大量损失（在 7.5%- 30% 之间）。对于大豆作物冠层，遮阳过渡时缓慢的 NPQ 弛豫花费了 >11% 的每日碳同化。
类胡萝卜素（胡萝卜素及其氧化衍生物叶黄素）在NPQ的过程中参与单重态激发态Chls的猝灭，该过程控制膜中激发态的水平，从而保护光合装置免受高光损伤。而这个过程需要紫黄质脱环氧化物酶 (VDE)、玉米黄质环氧酶 (ZEP) 介导的叶黄素循环。此外，光系统 II (PSII) 亚基 S (PsbS) 也与 NPQ 弛豫相关，导致与 PSII 相关的触角发生构象变化（如下图）。以往研究表明在烟草中上调VDE、PsbS 和 ZEP三个基因 (简称 VPZ ) 后显着加快了 NPQ 的诱导和弛豫。然而，一项研究表明含有VPZ的转基因拟南芥未能显示增加的生物量积累。因此，该研究为了测试引入VPZ到主要农作物是否可以实现增产，于是就构建VPZ转基因大豆 。
该研究首先构建了加速 NPQ 弛豫的At VDE、At PsbS 和At ZEP（VPZ )超表达转基因大豆。并连续两年进行了田间试验，以测试转基因大豆 T4和 T5纯合子后代独立转基因系的光合作用、生长和种子产量的影响。研究表明VPZ转基因的过表达导致种子产量显着提高，其中 ND-18-34A 品系观察到的最大差异 (+33%)。同时研究表明三种蛋白质中每一种的增加比例似乎比总增加更重要。
之后，该研究表明At VDE、At PsbS 和At ZEP（即VPZ基因）的过表达导致大豆中更快的 NPQ 弛豫。研究表明大豆中VPZ基因的过表达导致 ND-18-34A 和 YZ-19-21 中紫黄质水平的总体降低，同时在高光暴露期间（即下午 2 点）玉米黄质含量增加。此外，该研究还表明At VDE、At PsbS 和At ZEP（即VPZ基因）的过表达导致大豆在波动光中的 ΦPSII 增加了 2.5% 至 11.5%，提高了光合效率。同时相对于 WT，这些波动光条件下的 NPQ 值在 2020 年平均下降 21%，在 2021 年平均下降 17%。
最后，该研究讨论了VPZ基因过表达促进的更快的 NPQ 弛豫和光合效率提高是如何导致 种子产量的增加呢？该研究认为只有在光线有波动时，加快 NPQ 弛豫率才能提高生产率。因此，预计VPZ植物在其生长期间暴露于大量的阳光到阴影的转变将比暴露于较少这些转变的植物具有优势。这也解释了2020 年田间结果中VPZ品系显着优于 WT，而 2021 年产量增长不足。因为在 2021 年，就在种子灌浆的关键阶段之前，一场严重的风暴使作物滞留，导致上部叶片位于冠层的下部叶片上，导致许多叶片被永久遮蔽。
综上所述，At VDE、At PsbS 和At的过表达在为期 2 年的田间试验中，大豆中的 ZEP 促进了 NPQ 弛豫的加速，同时在波动光下光合效率也随之提高。通过加速 NPQ 放松，在 2020 年观察到五个独立事件的平均种子产量增加了 24.5%。论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adc9831
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