作科所发现水稻中表达玉米GLK基因可实现田间水稻大幅增产
中国农业科学院作物科学研究所耕作与生态创新团队研究发现，通过在水稻中表达玉米 GLK （ GOLDEN2-LIKE ） 转录因子基因 ZmGLK1 和ZmG2 ，均可在大田条件下实现提高水稻光合作用效率和减轻中午或波动光下光抑制程度，最终实现生物量和产量的大幅提高，并通过实验揭示了其在提高作物光合作用效率及抵御光抑制方面的生理机制。4月1日，相关研究成果在线发表于《通讯生物学（Communications Biology）》。
GLK转录因子通过激活与叶绿体发育和光合作用相关的核基因来调控光合作用。已有研究表明，在C3植物水稻中表达C4植物玉米的 GLK 基因，导致维管束鞘中细胞器体积增大，光合作用相关酶积累增加以及细胞间的相互联系增加，诱导再现了由C3光合作用转变成C4光合作用进化轨迹中的重要一步。然而，在室内盆栽条件下T1和T2代转基因水稻的光合作用效率、生物量及产量与野生型相比未表现明显差异。
本研究利用前期在水稻中表达玉米 GLK 基因、经繁代得到的纯合体材料，在北京和海南两地经过四年的田间实验，发现表达玉米 GLK 基因的水稻植株在大田条件下株高、生物量以及叶片中叶绿素、类胡萝卜素等色素含量明显高于野生型，其中表达 ZmG2 基因的水稻表型和生理指标的提高效果均高于 ZmGLK1 ，特别是在强光条件下其优势更为显著。产量分析表明，表达玉米 GLK 基因的水稻植株较野生型穗长增加10-26%，穗粒数增加20-122%，产量可提升30-40%，且其光合产物糖和淀粉以及氨基酸等代谢产物含量均较野生型有显著提高。进一步实验表明，表达玉米 GLK 基因的水稻植株叶绿体类囊体膜光合蛋白复合体积累显著增加，且CO2同化速率和气孔导度显著高于野生型。同时，研究还发现表达玉米 GLK 基因的水稻植株在光照最强的中午仍能维持较高的气孔导度和光合效率，而野生型植株中午光合效率显著下降。研究人员通过不同的光照处理实验证明了表达玉米 GLK 基因的水稻植株在强光和波动光条件下通过热耗散形式耗散过多光能并抵抗光氧化损伤，从而减轻光抑制程度，提高光化学效率。
该研究结果证明了玉米 GLK 基因在水稻中的表达能够通过协同提高光合作用效率和光抑制耐受能力，实现在田间条件下作物产量潜力的增加，揭示了玉米 GLK 基因在提高作物光合作用效率及抵御光抑制方面的生理机制，为作物光合作用效率及产量的协同提升提供了理论依据和可行途径。同时，该研究表明室内实验和大田研究之间具有的差异性，体现了光合作用大田研究的重要性。
作科所博士后李霞和中国科学院植物生理生态研究所王鹏研究员为文章的共同第一作者，作科所周文彬研究员为本文的通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国农科院科技创新工程以及比尔-梅林达·盖茨基金会C4水稻项目（第二期）的资助。
链接：https://www.nature.com/articles/s42003-020-0887-3
