光氮耦合調(diào)控水稻葉綠素合成關(guān)鍵酶研究

摘 要：本綜述對(duì)光氮耦合對(duì)水稻葉綠素合成關(guān)鍵酶調(diào)控研究的薄弱問(wèn)題進(jìn)行分析，旨在探究光氮耦合調(diào)控葉綠素合成關(guān)鍵酶的分子途徑，以期探明光氮耦合調(diào)控葉綠素合成的最佳效應(yīng)，探明不同光照條件下調(diào)控葉綠素合成的最佳氮肥配合方式，為光氮耦合調(diào)控葉綠素合成提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐，并最終為水稻增產(chǎn)找到新的突破口。

關(guān)鍵詞：光氮耦合;葉綠素;關(guān)鍵酶

一、研究意義

目前，我國(guó)水稻光能利用率很低，一般只有0.5%～1.0%，最高的也不過(guò)2%，高產(chǎn)水稻光能利用率也僅為1.5%～2.0%，而水稻理想的光能利用率為3.0%～5.0%。如果普遍把水稻光能利用水平提高到1%，那么生產(chǎn)水平就可在現(xiàn)有產(chǎn)量基礎(chǔ)上提高1.5倍。過(guò)去幾十年里倡導(dǎo)綠色革命期間，作物生理學(xué)家和育種家致力于水稻穗粒數(shù)和收獲指數(shù)方面的研究，以期水稻增產(chǎn)，但其結(jié)果不盡如人意，水稻增產(chǎn)空間已達(dá)極

限[1]。在改變其他條件水稻產(chǎn)量停滯不前的前提下，通過(guò)提高葉片光合效率使水稻增產(chǎn)已迫在眉睫[2]。有研究表明，提高作物光合效率使其增產(chǎn)后，其他制約產(chǎn)量形成因素將不再成為水稻增產(chǎn)的限制條件[3]。因此，提高水稻光能利用率是提高水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵。

提高水稻光合效率是提高其光能利用率進(jìn)而提高水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵途徑。水稻光合效率提高的重要基礎(chǔ)是葉片具備較多的葉綠素（Chlorophyll，Chl），葉綠素是綠色植物葉綠體內(nèi)參與光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，在光合作用的能量捕獲以及能量傳遞和轉(zhuǎn)化中起著重要作用。葉綠素含量是衡量葉片光合性能的重要指標(biāo)，葉綠素含量高低可大體反應(yīng)水稻光合物質(zhì)生產(chǎn)能力的強(qiáng)弱，其直接或間接地與單位葉面積光合速率有關(guān)，并影響光能利用效率和產(chǎn)量，葉綠素含量高時(shí)光能利用率較高[4]。葉綠素含量的高低取決于其合成效率，其生物合成是一個(gè)復(fù)雜、多酶參與的過(guò)程，受諸多外在因素的影響，如光照、溫度、礦質(zhì)元素、水分和氧氣。其中，光是葉綠素合成必不可少的條件，而某些礦質(zhì)元素缺乏時(shí)也不能合成葉綠素，其中尤以氮素影響最大，同時(shí)也受諸多內(nèi)在因素調(diào)控，如葉綠素合成過(guò)程中編碼其合成酶的諸多基因：HEMA（谷氨酰-tRNA還原酶）、GSA（谷氨酸酰酯-1-半醛2，1氨基變位酶）、HEMB（5-氨基酮戊酸脫水酶）、HEMC（膽色素原脫氨酶）、HEMD（尿卟啉原Ⅲ合成酶）、HEME（尿卟啉原Ⅲ脫酸酶）、HEMF（糞卟啉原Ⅲ氧化酶）、HEMG（原卟啉原氧化酶）、CHLD（CHLH，CHL1，CHL2）（Mg-螯合酶）和CHLM（Mg-原卟啉Ⅸ甲基轉(zhuǎn)移酶）等。葉綠素的合成是決定植物光合效率的重要性狀，是決定作物產(chǎn)量的重要因素。因此，葉綠素的合成成為研究提高水稻光合效率并最終實(shí)現(xiàn)水稻增產(chǎn)的關(guān)鍵。

近年來(lái)，葉綠素合成過(guò)程中的酶以及編碼這些酶的基因已被鑒定出來(lái)，但眾多研究主要集中在光照或氮素單一因素對(duì)葉綠素合成過(guò)程中酶的調(diào)控，而關(guān)于光氮耦合條件下的研究極少。目前，水稻的周年光能利用率往往不足1%，光能通常以各種形式浪費(fèi)掉[5]。因此，光能的浪費(fèi)和氮肥利用效率的降低成為水稻增產(chǎn)的瓶頸。

二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)

（一）光對(duì)葉綠素合成的調(diào)控作用

光是植物進(jìn)行光合作用并賴(lài)以生長(zhǎng)的前提條件，是葉綠素合成過(guò)程中必不可少的條件。葉綠素的合成是一個(gè)由多酶參與的復(fù)雜過(guò)程，經(jīng)過(guò)15步反應(yīng)，由15種酶催化。具體而言，葉綠素的生物合成包括兩部分：第一部分是L-谷氨酰-tRNA→谷氨酸酰酯-1-半醛→δ-氨基酮戊酸→膽色素原→羥甲基膽色素原→尿卟啉原Ⅲ→糞卟啉原Ⅲ→原卟啉原Ⅸ→卟啉原Ⅸ，參與反應(yīng)的酶分別是谷氨酰-tRNA還原酶、谷氨酸酰酯-1-半醛2，1氨基變位酶、5-氨基酮戊酸脫水酶、膽色素原脫氨酶、尿卟啉原Ⅲ合成酶、尿卟啉原Ⅲ脫酸酶、糞卟啉原Ⅲ氧化酶和原卟啉原氧化酶8種酶，對(duì)應(yīng)的編碼基因分別是HEMA、GSA、HEMB、HEMC、HEMD、HEME、HEMF和HEMG;第二部分是原卟啉Ⅸ→Mg-原卟啉Ⅸ→Mg-原卟啉Ⅸ甲酯→聯(lián)乙烯原葉綠素酸酯→原葉綠素酸酯→葉綠素酸酯→葉綠素a，依次需要Mg-螯合酶、Mg-原卟啉Ⅸ甲基轉(zhuǎn)移酶、Mg-原卟啉Ⅸ單甲基酯環(huán)化酶、二乙烯基還原酶、原葉綠素酸酯氧化還原酶、葉綠素合酶和葉綠素酸酯α氧化酶7種酶催化反應(yīng)，編碼這些酶的基因分別是CHLD（CHLH，CHL1，CHL2）、CHLM、CRD1、DVR、POR、CHLG和CAO。其中，眾多基因受光調(diào)節(jié)進(jìn)而調(diào)節(jié)葉綠素合成，如HEMA1、HEMB1、GSA、CAO和POR等。光通過(guò)調(diào)節(jié)葉綠素合成過(guò)程中編碼其酶的基因進(jìn)而調(diào)節(jié)葉綠素合成，但對(duì)葉綠素合成效率的高低以及在水稻不同生育期編碼這些酶基因表達(dá)量動(dòng)態(tài)變化的研究十分薄弱。光驅(qū)動(dòng)POR基因編碼的酶催化原葉綠素酸酯（Pchlide）還原成葉綠素，是葉綠素合成過(guò)程中的關(guān)鍵調(diào)控步驟，由于POR被光激活，因此其可為酶反應(yīng)提供光能。來(lái)自用萊茵衣藻GSATcDNA轉(zhuǎn)化的大腸桿菌的體外酶活性測(cè)定顯示，GSAT mRNA的水平在光照前0.5 h內(nèi)幾乎增加1倍，光照2 h后增加了26倍以上，表明GSA基因受光調(diào)節(jié)，初步推測(cè)適宜的光照可促進(jìn)葉綠素合成。由上可知，編碼這些酶的基因幾乎都受光誘導(dǎo)表達(dá)。

（二）氮對(duì)葉綠素合成的調(diào)控作用

氮是葉綠素分子的重要組成部分，如組成許多酶的基質(zhì)、類(lèi)囊體蛋白以及天線(xiàn)色素，對(duì)葉綠素合成和葉綠體發(fā)育有重要影響，其通過(guò)對(duì)葉綠體發(fā)育、葉綠素合成及光合作用酶活性的影響對(duì)光合作用進(jìn)行調(diào)節(jié)。葉片中氮素含量與光合能力緊密相關(guān)，其含量提高可提高光合速率。趙全志等[6]研究表明，氮與葉綠素的合成關(guān)系密切。植物出現(xiàn)缺綠癥以氮素影響最大，缺氮會(huì)使葉綠素合成受阻，導(dǎo)致葉片發(fā)黃，光合作用減弱甚至停止，而適度的施氮量可提高植物的葉綠素含量。可見(jiàn)，氮在葉綠素合成中具有舉足輕重的作用。

目前，有關(guān)氮對(duì)葉綠素合成關(guān)鍵酶調(diào)控的研究極少，多數(shù)研究集中在氮對(duì)作物光合特性、生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量等因素上，幾乎沒(méi)有對(duì)葉綠素合成關(guān)鍵酶的調(diào)控進(jìn)行系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)研究。Zhou W等[7]研究表明，最佳施氮水平下，水稻葉綠素含量提高，并可使水稻光合面積、速率和時(shí)間均增加，水稻達(dá)到高產(chǎn)。對(duì)冬小麥葉綠素含量的研究發(fā)現(xiàn)，氮對(duì)葉片中葉綠素含量的影響顯著，并且與產(chǎn)量關(guān)系密切。對(duì)擬南芥的研究發(fā)現(xiàn)，氮同化效率的提高可提高葉綠素合成效率，而缺氮時(shí)其光合效率較低。由上可知，目前關(guān)于氮素對(duì)葉綠素合成關(guān)鍵酶活性和基因表達(dá)的研究十分薄弱。

綜上所述，光照和氮素是影響葉綠素合成和水稻光能利用率的重要因素，盡管關(guān)于光照對(duì)葉綠素合成關(guān)鍵酶及其基因表達(dá)調(diào)控有所研究，但研究尚不夠系統(tǒng)深入;鮮見(jiàn)關(guān)于氮素對(duì)葉綠素合成關(guān)鍵酶及其基因表達(dá)調(diào)控的研究，未見(jiàn)關(guān)于光氮耦合對(duì)葉綠素合成關(guān)鍵酶及其基因表達(dá)調(diào)控的研究。立項(xiàng)研究光氮耦合對(duì)葉綠素合成關(guān)鍵酶及其基因表達(dá)調(diào)控，對(duì)提高水稻葉片光合效率，進(jìn)而提高水稻光能利用率和產(chǎn)量，具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。

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[7]Zhou W，Lv T，Yang Z，et al. Morphphysiological mechanism of rice yield increase in response to optimized nitrogen management[J].Scientific Reports，2017（1）：17226.

通訊作者：朱開(kāi)才。