從植物生理學談光合作用與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全

高榮孚，原國務(wù)院參事，北京林業(yè)大學生物科學與技術(shù)學院植物生理學教授、博士生導師，浙江農(nóng)林大學特聘教授，享受國務(wù)院特殊津貼。在植物生理生態(tài)方面，率先使用國產(chǎn)元件組裝儀器，用空氣動力學方法研究森林光合作用。他先后主持完成了穩(wěn)態(tài)氣孔計、光合有效光量儀、葉綠素熒光儀、光聲光譜儀等儀器的研制，并榮獲1987年林業(yè)部科技進步三等獎。這些儀器不僅滿足了科研需要，也為我國光合研究進入國際前沿研究作出了一定貢獻。

糧食安全關(guān)系到人類生產(chǎn)和生活的方方面面，人類21世紀面臨的尖銳問題之一就是食物問題。人們吃的食物都是植物光合作用的直接或間接產(chǎn)物，所以光合作用對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全有著重要的意義。如今人們常常談農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要“高光效”，而只有了解植物生理學特性，才能對癥下藥從根本上達到“高光效”，因此從植物生理學角度把握光合作用與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、糧食安全之間的關(guān)系顯得非常有必要。

植物生理學是研究植物生命活動和規(guī)律的學科，也是科學、合理經(jīng)營農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)。栽培植物為什么要澆水、施肥？干旱、水澇和鹽堿為什么會減產(chǎn)？這些都是植物生理學研究的內(nèi)容。而光合作用是植物特有的生物學過程，也是作物產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，沒有光合作用就不可能有人類社會的產(chǎn)生和發(fā)展。俗話說“萬物生長靠太陽”，通過光合作用，植物才能把光能轉(zhuǎn)變成生物能，把二氧化碳和水轉(zhuǎn)變成所需的各種有機物。

自從人類DNA序列被確定，水稻以及被稱為植物果蠅的擬南芥等植物的DNA序列也逐步被測定，人類開始進入基因組學時期。在后基因時代，隨著研究的深入，逐漸出現(xiàn)了研究RNA的轉(zhuǎn)錄組學、蛋白質(zhì)組學、代謝產(chǎn)物組學和離子組學以及將這些學科結(jié)合起來的系統(tǒng)生物學和生物信息學，大大豐富了基因組學的研究內(nèi)容，分子生物學的出現(xiàn)也大大推進了植物生理學的研究，而進入新的發(fā)展時期的植物生理生化也將促進分子生物學發(fā)展。

進入21世紀以來，我國重視和發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，孕育了科技發(fā)展的新階段，在給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來機遇的同時，也給我們提出了新的挑戰(zhàn)。我國以全球7%的耕地面積養(yǎng)活了全球20%以上的人口，不但解決了溫飽問題，還使人們的生活達到了小康水平。自從上世紀50年代初開展第一次綠色革命以來，全球的糧食產(chǎn)量大幅提高。主要得益于兩個方面，一是矮桿化減少了不必要的莖桿，增加了糧食產(chǎn)量；二是采取密植栽種，增加了葉面積，提高了光能作用。但是現(xiàn)在這兩種方法已經(jīng)到了“盡頭”，再要有所提高很困難。

從光合作用的角度來看，理論上植物光合作用的光能利用率應(yīng)該能夠達到吸收的12%，但事實上植物本身利用太陽能的效率很低，一般在3%以下，有的只有1.5%左右，而要提高光合效率又是一件非常困難的事情。人們在對小麥和水稻的光合研究中發(fā)現(xiàn)，就作物單位葉面積的光合速率而言，野生種大于優(yōu)良栽植品種。作物靠增加葉面積和高光合速率的持續(xù)時間來提高作物產(chǎn)量，這在小麥、水稻和雜交毛白楊的研究中已經(jīng)得到了證實。

通常在糧食生產(chǎn)中，人們主要通過不斷施肥，特別是施氮肥來使作物保持高的葉光合速率，這是因為同化二氧化碳和蛋白質(zhì)的合成都需要氮，只有不斷供給氮才能有較高的效率。但眾所周知，氮肥的利用效率很低，一般只有30%～50%的利用率，也就是說有1/2～1/3的氮肥會流失，而這部分流失的氮肥會造成河流的面源污染，使湖泊、河流富營養(yǎng)化。雖然可以通過改進施肥技術(shù)來提高氮肥利用率，但選育有高光合速率和光合作用持續(xù)期長，且需要氮肥少的品種更為重要。

我一直從事植物生理生化研究，過去主要采用生化方法做研究，但這些方法大都具有破壞性，不能連續(xù)進行觀察。所以長此以往，我對儀器研究產(chǎn)生了濃厚興趣，也嘗試著自己動手研發(fā)和組裝一些小型儀器。在國際交流活動中，我發(fā)現(xiàn)國外很多有名的實驗室，都不同程度上自己研制儀器，這樣就能做一些別人沒有做過的工作，創(chuàng)新的機會比較多。

在我看來，光合作用的機理研究要想出創(chuàng)新性的成果與新儀器和新方法有關(guān)，這一點從葉綠素熒光動力學研究就能看出來。盡管1931年已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了葉綠素熒光動力學，但當時沒有發(fā)展，直到1970年左右，由于光合作用光能轉(zhuǎn)化機理研究的進展和技術(shù)上的進步，才使得葉綠素熒光動力學的理論從實驗室走向田間。

光電轉(zhuǎn)化技術(shù)是非破壞性的方法，它可以連續(xù)測定同一片葉子的熒光變化，光電器件和集成電路的發(fā)展，使葉綠素熒光儀成為光合作用研究的重要工具，更主要的是它還可以判斷葉子內(nèi)部葉綠體中發(fā)生的變化。20世紀70年代最早商品化的儀器是簡易的非調(diào)制熒光儀，由于器件速度限制其起始熒光[F0]（一種測試熒光的指標）測不準，后來出現(xiàn)的脈沖調(diào)制熒光儀成為主流儀器。但是，隨著器件和數(shù)字化進展及光合研究的需要，非調(diào)制熒光儀以新的形式出現(xiàn)，彌補了原來的不足，可以測準[F0]，還可以測瞬態(tài)熒光。我們從1985年開始研究葉綠素熒光，研制熒光儀以及探索葉綠素熒光理論，并完成有關(guān)儀器研制及論文發(fā)表，近來還提出了后穩(wěn)態(tài)葉綠素熒光儀動力學理論。但是現(xiàn)在的商品化儀器不能完全滿足我們的要求，同時又缺乏國產(chǎn)化儀器，于是我與北京雅興理儀科技有限公司合作，結(jié)合國際上現(xiàn)有兩種類型儀器的特點，研發(fā)了具有自己特色并兼有兩種類型儀器優(yōu)點的脈沖瞬態(tài)葉綠素熒光儀，可得到調(diào)制熒光儀和瞬態(tài)熒光儀的相關(guān)參數(shù)，適合后穩(wěn)態(tài)誘導熒光的研究，為研究光合作用CO2同化和葉綠素熒光同時進行提供了研究工具，現(xiàn)已完成樣機和改進型研制。

要充分研究作物的光合作用特性需要一系列儀器，我們還研發(fā)了葉片和小群體光合速率自動連續(xù)長期測定的光合測定系統(tǒng)，目前還在不斷進行完善。同時我們也研制了其他光合和植物生理生態(tài)研究的儀器，為培育優(yōu)良品種和農(nóng)業(yè)產(chǎn)量提供了有效的工具。

當然，光合作用與作物產(chǎn)量之間的關(guān)系是十分復雜的，仍然需要科技工作者繼續(xù)進行系統(tǒng)地研究，除了在理論上進行多學科交叉研究外，在觀察和研究方法上也要不斷改進，特別是要為農(nóng)學等學科提供一些有效的技術(shù)，測定具有高光效率的新品種以及雜交時親本光合特性的技術(shù)，幫助人們充分了解怎樣才能使作物光合特性有利于產(chǎn)量提高，又能少澆水、少施肥。

近年來，國家對農(nóng)業(yè)科學研究的投入不斷增加，這就意味著需要大量的儀器來輔助研究。隨著一些新技術(shù)的引入，儀器開始朝著虛擬化方向發(fā)展，除了必要的硬件系統(tǒng)外，目前大量的相關(guān)工作都能通過計算機模擬程序設(shè)計。儀器虛擬化發(fā)展給我國科技創(chuàng)新提供了很好的機遇，我們應(yīng)該充分把握，推進我國植物生理生化儀器研制工作的創(chuàng)新發(fā)展。更為重要的是，為農(nóng)業(yè)和糧食安全提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)的研究，最需要多學科的團結(jié)協(xié)作，需要很多不同領(lǐng)域?qū)W者的共同投入，我希望可以看到更多同行和其他學科，尤其是年輕人能夠加入這項事業(yè)的研究。