破解百年“光合午休”难题有了中国答案

为何植物会“光合午休”？这道困扰了人们百余年的难题，如今终于被解开。中国科学院遗传与发育生物学研究所联合国内外多家单位，近日在国际学术期刊《细胞》上发表了原创性研究成果：在海南、北京、吉林和黑龙江等地大田试验发现，上调亚甲蓝敏感1（MBS1）蛋白的表达后，水稻抵御田间强光逆境的能力显著增强，实现了稳产增产。这一成果打破了现代农业“抗逆必减产”的魔咒，为粮食安全撑起了一把“分子遮阳伞”。

植物为何在光合作用最盛时“犯困”

万物生长靠太阳，植物是这句话最直观的体现。光合作用，就是植物“吃饭”的过程：利用太阳能，把二氧化碳和水转化成自身需要的“口粮”。当然，光太强或太弱都会影响“胃口”。一天之中，中午的阳光最强，按理说应该是光合作用最旺盛的时候，可奇怪的是，植物偏偏在这个时候“犯困”，出现净光合速率下降的现象，也就是俗称的“光合午休”，导致植物无法高效率地进行光合作用。据粗略估算，全球每年因此损失的粮食，足够养活好几亿人。

为什么会出现“光合午休”？科学家开启了一场长达百年的“破案”行动。一开始，大家把目光投向了植物进行光合作用的关键部位——叶片的气孔上。这些气孔就像叶片上密布的微小窗户，二氧化碳从这里进入叶片，而水分从这里散出去。这也是森林里空气湿润的一个原因。正午高温干燥，植物为了保水会关闭气孔，避免水分被大量蒸发。这一关，水是保住了，但二氧化碳也进不来，而缺少了这个关键原料，光合作用自然就停工了。于是，农作物的产量受到了很大影响。

这个解释似乎很完美：为了避免高蒸腾导致植物水分损失，植物关闭了气孔，但也因二氧化碳缺乏导致光合作用效率下降。但很快，科学家发现了一个漏洞：如果只是为了避免水分损失，那给植物补充水分后，气孔为什么还会在正午关闭呢？许多研究证实，哪怕是在土壤水分充足、植物并不明显缺水的情况下，植物依然会在正午关闭气孔，导致光合作用速率下降。

于是，科学家把视线转移到植物光合作用的“心脏”——叶绿体里的光系统上。光合作用分两步：先“捕光”（光反应），再“做饭”（暗反应）。光反应是指光能被捕捉并转换为活跃的化学能，同时释放氧气；暗反应则利用这些能量将二氧化碳固定为稳定的有机物。有两个蛋白复合体负责光反应，光系统Ⅰ负责产能形成能量载体，光系统Ⅱ负责“拆水”生成氧气以及氢离子和电子，二者相互配合来实现完整的光反应。

其中，光系统Ⅱ是个关键“劳模”，但它有个弱点：怕“晒过头”。当光照强度超过了植物的利用上限，过剩的光能就会变成极具破坏力的单线态氧（一种活性氧），破坏光系统Ⅱ，使整个光合作用过程无法有序进行。这种“光抑制”现象，才是“光合午休”的真凶之一。

由此可见，“光合午休”是多重因素共同造成的，既有气孔关闭导致的二氧化碳供应减少，也有过强光照对光系统产生的压力和损伤，还有高温下植物的关键酶活性和代谢过程效率下降。

在过去很长一段时间，科学家一直致力于改良品种让作物“抗热”，但结果往往是“抗热了就不高产，高产了就不抗热”，治标不治本。在全球变暖的大背景下，主要粮食作物的产量受到严重威胁，解决“光合午休”势在必行。这一次，中国科学家在叶绿体表面，找到了解开这道百年谜题的钥匙。

中国科学家给叶绿体涂上智能“防晒霜”

植物通过叶绿体捕获阳光，并把光能转化为化学能，这是光合作用的基础。但叶绿体并不是一台可以无限吞噬光线的机器。当正午阳光过于强烈，超出了叶绿体处理能力的上限时，多余的光线能量就会在细胞里乱窜，生成单线态氧。它极具破坏性，在叶绿体内部进行无差别攻击。所以，植物怕的不只是高温，更怕强光带来的光毒性——这就好比相机传感器进了超强光线被“烧屏”。植物的光合系统一旦被“晒伤”，麻烦就大了。

植物进化了这么久，面对这种一直持续出现的伤害，难道没有应对策略吗？

答案是有的。中国科学院遗传与发育生物学研究所联合国内外多家单位在《细胞》期刊上发表的最新研究揭示，在叶绿体表面，藏着一种天然的基于蛋白凝聚体的“防晒”机制，而开启这套机制的关键是亚甲蓝敏感1（MBS1）蛋白。这个蛋白是专门用来对付单线态氧的“卫士”。

研究人员发现，当光照变得强烈时，亚甲蓝敏感1蛋白会收到“警报”，迅速在叶绿体外膜附近集结。这背后的机制叫作“液-液相分离”。在叶绿体遇到高强度光照时，亚甲蓝敏感1蛋白会通过一种动态、可逆的蛋白凝聚体，来抵御高强度光的压力，减少单线态氧带来的损伤。这层凝聚体薄如蝉翼，却功能强大，就像是一层“分子防晒霜”，能把过剩的强光散射掉，从源头上削减过剩光能，防止光合系统“烧屏”。有意思的是，这层“分子防晒霜”还是智能的：光线强时自动“涂抹”形成保护层，光线弱时又自动“卸妆”解散，让叶绿体恢复正常的光合作用。

这种机制与传统的损伤后修复机制有本质区别。以前我们知道的植物防御，大多是等细胞受损了，再去清除毒素、修补蛋白；而这种机制是在损伤发生前就挡在前面，属于“前置性主动防御”，直接为叶绿体撑起一把遮阳伞。由于它按需启动，不用时刻消耗能量，所以对植物来说，是一种性价比极高的防护策略。

“抗逆必减产”的魔咒被打破

如果说科学家发现了新的应对强光逆境的机制，那么可能只是在科研领域产生了推动作用，但这次的研究不只是机制突破，更是在应用上大放光彩，解决了困扰农业界的百年痛点——抗逆与高产的矛盾，实现了育种逻辑的重构。

在农业领域，育种专家总面临一个尴尬的选择题：想让作物皮实、不怕热，抗逆性能强，必然会导致减产；想要高产，作物就变得“娇生惯养”，稍微热点儿就蔫了。简单来说，这就是生长和防御的权衡问题。

为什么会这样？因为植物的能量和资源是有限的。它既要用于长叶、分蘖、灌浆和籽粒形成，又要用于保护、修复、信号转导和代谢调整，无论增强哪一个，都会导致其他的性能被迫牺牲，结果我们必须在“够强的抗逆”和“不能明显减产”之间不断做平衡。

但亚甲蓝敏感1蛋白的出现，彻底改变了这个逻辑。它不需要植物时刻准备“打仗”，只需要在强光来袭时，临时“撑把伞”。这种“防晒”策略成本低、见效快，防患于未然。相比之下，传统应对光损伤基本走的是受损后修复路线，植物需要清除单线态氧、更新受损蛋白、重建受损结构，费时费力。对于靠整个生长季一点一滴积累产量（净光合作用）的农作物来说，省下来的能量积少成多，在田间就能放大成可观的产量差距。

既然亚甲蓝敏感1蛋白对于植物的光损伤具有保护作用，那么能否提高其表达来增加植物对光损伤的抵御，从而提高产量呢？随后，实验室数据证实了上调亚甲蓝敏感1蛋白能增产。但理论行不行，还得大田说了算。于是，科学家在海南、北京、吉林、黑龙江等不同气候条件的试验田里，连续多年进行了大规模验证。结果令人振奋：与对照品种“稻花香”相比，亚甲蓝敏感1蛋白增强表达的水稻，在气候相对温和的吉林等地，增产10%-15%；在光热条件中等的北京等地，增产达20%-30%；而在强光高热的海南，增产幅度高达40%，相当于多种了近一半的地。

更让人惊喜的是，亚甲蓝敏感1蛋白增强表达后，水稻可以提前10天开花成熟，这对东北等高纬度地区是巨大利好——能赶在霜冻前颗粒归仓，相当于变相扩大了耕地面积；对于南方多季种植区，意味着一年能多收一茬，增加了水稻种植的次数及粮食产量。如果说袁隆平院士解决了水稻“吃得饱”（高产）的问题，让水稻穗大粒重，那么遗传与发育生物学研究所团队就解决了水稻“站得稳”（抗逆）的问题，让水稻在烈日下依然挺得住。这是中国育种史上一次智慧的接力。

广泛应用将引发全球农业生产革命

从1910年国际植物学界发现植物的“光合午休”现象，到今天中国科学家破解亚甲蓝敏感1蛋白机制，这场跨越百年的科学探索，更是一场对粮食安全的“保卫战”。

民以食为天，光合效率直接关系到粮食产量，关系到每一个人的饭碗。百年来，科学家从关注气孔开关、水分蒸腾，到研究高温对酶活性的影响，一步步逼近真相。今天，中国科学家补上了最关键的一块拼图：首次揭示了亚甲蓝敏感1蛋白液-液相分离介导的前置光保护机制，填补了国际上植物单线态氧感知与前置光保护领域的理论空白，为培育气候适配、高光高产的新型作物种质提供了全新靶点与育种路径。这是我国在基础生命科学领域的又一重大突破，标志着我国在作物高光效育种领域，从“跟跑”变成了“领跑”。

更重要的是，这项技术有着广泛的应用前景。亚甲蓝敏感1蛋白这把“分子遮阳伞”，并不是水稻专属，它在大豆、油菜、玉米等多种作物中都存在。如果能通过育种手段，把这些作物的亚甲蓝敏感1蛋白功能也强化起来，那将引发一场农业生产的革命。在全球气候变暖的大背景下，极端气候频发，强光、高温、干旱叠加成为常态，全球粮食面临巨大挑战。中国科学家提供的这把通用“分子遮阳伞”，为在不确定的气候中锁定产量提供了坚实保障。

此外，提高光合效率还有一个额外的红利：植物能吸收更多的二氧化碳。这意味着，未来，通过提高光合效率，农业有望从碳源逐步转向碳中性，甚至在农田生态系统中贡献“负碳”效益，直接服务于国家的“双碳”目标，为减缓全球变暖贡献力量。

回望历史，“光合午休”这个既古老又现代的科学问题，在几代科学家的接力下终于尘埃落定。大自然的进化无比神奇，很多答案早已写在基因里。而科学家的使命，就是读懂这些自然密码，并用它来改善人们的生活。从远古先民的田间筛选，到现代科学家的基因解析，这把小小的“分子遮阳伞”，撑起的是作物生长的希望，更是人类应对未来挑战的底气。

（作者为中国科学院西南生物多样性中心博士）

责任编辑：王梓辰

文章来源：http://www.71.cn/2026/0715/1296876.shtml