中国科学院上海植物生理生态研究所与美国伊利诺伊大学等机构携手合作改造光合作用提高全球作物产量潜力

2017年9月15日，比尔-梅琳达盖茨基金会（BMGF）、美国食品农业研究基金会（FFAR）、英国国际发展司（DFID）在美国伊利诺伊大学共同发表声明，将投资4500万美元资助RIPE（Realizing Increased Photosynthetic Efficiency），以支持RIPE 研究团队继续开展工程改造光合作用、提高作物产量的研究。RIPE 项目主要目标是通过工程改良提高主要农作物光合作用光能利用效率，进而提高作物产量潜力。该项目由美国伊利诺伊大学牵头，其项目成员单位包括：美国农业部光合作用研究单位、英国艾斯克斯大学、英国兰卡斯特大学、澳大利亚国立大学、中国科学院上海植物生理生态研究所、澳大利亚联邦科工委、美国加州大学伯克利分校和美国路易斯安那大学。

RIPE项目主任、伊利诺伊大学哥特威尔讲习教授STEVE LONG说，“今天由联合国五个主要机构共同发表了评估报告，它将激励我们对在2030年及以后永久消除饥饿和营养不良而持续努力。当前投资光合作用研究恰当其时。目前，重要粮食作物的产量提高速度很慢，我们亟需发展全新方法，大幅度提高作物产量，以保证在未来为持续增长的、城市化程度日益增加的全球人口提供足够的粮食”。

“尽管没有任何一种方法可以解决所有问题，我们在工程改造光合作用领域的成功是令人振奋的”。RIPE项目副主任、美国农业部光合作用研究单位的首席科学家、伊利诺伊大学教授DON ORT 教授说，“RIPE 项目已经证实光合作用效率可以被提高，进而有效帮助消除当前粮食增长与未来粮食需求之间的差距”。

RIPE项目采取的主要策略是利用系统模型指导下，定点改良光合作用效率进而提高作物产量潜力。“该策略的核心是通过有效利用全球过去半个世纪以来的光合作用研究成果，建立光合作用系统模型，进而利用模型对可能提高光合效率的成千上万的潜在途径进行系统评估，从而筛选出最能有效提高光能利用效率的途径，并通过生物工程的手段进行作物光合作用改良。利用这个途径有望促成未来农业的全面革新，为解决未来粮食问题提供全新方案。”中科院上海植物生理生态研究所朱新广研究员说。在RIPE 项目中，朱新广研究员所带领的研究团队将与RIPE 项目研究组通力合作，建立涵盖从细胞代谢、叶片直到冠层直到生态系统水平的光合作用模型，并用于发现改良光合效率的新途径，从而为光合作用工程改造持续增加新动力。

利用这种模型指导下的工程改造策略，RIPE研究人员已经鉴定出多条可提高光能利用效率的新途径。在RIPE第一期项目中盖茨基金会投资了2500万美元，为期五年，其中多条改良光合作用的途径已经通过工程改造的方法得到系统验证。尤其是去年，SCIENCE杂志发表了一份RIPE 项目研究团队的工作进展，表明该途径可以有效提高20%作物产量，这与传统育种中每年仅有1-2%的产量增加相比是一个巨大进步。

RIPE项目中的另外两个工程改造途径目前在温室及初步大田实验中也对产量产生巨大提高作用。“从发现基因到这些基因被有效运用到改良的作物中一般需要15年左右的时间，因此基于我们现在发现的这些能够提高光合作用效率的超级作物出现在农田中可能也要到2030年了”。STEVE LONG 教授说。将这些已发现的提高光合效率的途径有效用于作物改良是当前RIPE的核心研究内容。

中国科学院上海植物生理生态研究所研究员朱新广博士是本次RIPE项目的负责人之一（Co-PI）。该研究所在光合作用研究方面具有较长历史，曾在光合作用多个研究领域做出过杰出贡献，其中包括光合磷酸化机理研究、光抑制机理、环式电子传递机理、光合作用对环境变化的响应等。近年来，植生生态所将继续在原有研究基础上，通过进一步大力支持光合系统生物学研究、基因组编辑及合成生物学工具包发展、大规模大田作物生长评估及测试平台构建等，为我国大规模开展光合作用系统及合成生物学研究提供坚实的团队、技术及平台基础。

图注：用以指导光合作用设计及优化的ePlant 分子系统模型（见Xiao et al., 2017, Quantitative Biology, 5: 260-271; doi:10.1007/s40484-017-0110-9）。ePlant涵盖从分子、细胞器、细胞、叶片、冠层直到光合产物分配等光合作用影响生物量及产量的全过程，是当前开展光合效率设计及改造研究的关键技术平台。