表达玉米GLK基因的水稻植株在北京和海南两地的产量表型。作科所供图

碳四（C₄）作物的单产往往显著高于碳三（C₃）作物。如果让碳三作物表达碳四作物的相关基因，能不能提高碳三作物的产量？

答案就在4月1日《通讯—生物学》在线发表的一篇论文中。中国农业科学院作物科学研究所（以下简称作科所）耕作与生态创新团队发现，在碳三作物水稻中表达碳四作物玉米的GLK（GOLDEN2-LIKE）转录因子基因ZmGLK1和ZmG2，均可在大田条件下实现水稻产量大幅提高。

论文通讯作者、作科所研究员周文彬介绍，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，在水稻中表达玉米的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，细胞间的相互联系也增加，诱导再现了由碳三光合作用转变成碳四光合作用进化轨迹中的重要一步。然而，在室内盆栽条件下，水稻植株在表达玉米GLK基因时，其光合作用效率、生物量、产量与野生型相比未表现明显差异。

论文共同第一作者、中国科学院植物生理生态研究所研究员王鹏介绍，该项研究通过提高水稻光合作用效率、减轻中午或波动光下的光抑制程度，最终实现了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。

论文共同第一作者、作科所博士后李霞说，经过北京和海南两地四年的田间实验，他们发现，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、淀粉和氨基酸等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的积累显著增加，且二氧化碳同化速率、气孔导度都显著高于野生型。

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，原因是其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。

周文彬说，研究结果证明，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有差异，体现了光合作用大田研究的重要性。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s42003-020-0887-3