溫度是影響植物生長周期和地理分布的主要因素之一。隨著溫室效應的加劇，全球氣候變暖造成的高溫脅迫日益成為現代農業生產體系所面臨的嚴峻挑戰，也對世界糧食安全造成嚴重威脅。

2020年4月21日，國際植物生物學著名期刊Nature Plants在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心、植物分子遺傳國家重點實驗室郭房慶研究組的最新突破性研究成果，題為《Nuclear-encoded synthesis of the D1 subunit of photosystem II increases photosynthetic efficiency and crop yield（創建細胞核源光系統II復合體D1亞基合成途徑增加光合效率和作物產量）》。

該研究成果是提高植物光能利用效率方面的一個重要突破性進展，為糧食安全生產挑戰提供了解決方案。

作為植物進行光合作用重要復合體PSII的核心蛋白，D1對于高溫脅迫最為敏感，是PSII復合體內最容易受損和更新最快的蛋白。一旦PSII受到高溫傷害，在修復過程中，損傷的D1蛋白被新合成的D1所取代。葉綠體作為半自主性的細胞器，具有自己的基因組，編碼D1蛋白的葉綠體基因為psbA。

而在光合作用進行過程中，葉綠體中累積的活性氧會顯著抑制D1蛋白的翻譯過程，進而導致PSII復合體的修復效率降低，這種情況在高溫脅迫條件下尤為嚴重。

因此，如何提高強光條件下或高溫脅迫下PSII的修復效率，進而增強植物的光合效率，生物量和產量是長期困擾這一領域科學家的基礎性科學問題和挑戰性難題。

該研究通過遺傳工程手段在擬南芥、煙草和水稻中創建了一條全新的，且由高溫響應啟動子驅動的細胞核融合基因表達的D1蛋白合成途徑，建立了植物細胞D1蛋白合成的“雙途徑”機制（天然的葉綠體途徑和創建的核途徑）。增加細胞核源D1合成途徑顯著增強植物的高溫抗性，光合作用效率，二氧化碳同化速率，生物量和產量。

增加細胞核源D1合成途徑顯著增強植物的高溫抗性，光合作用效率，生物量和產量。  中國科學院分子植物科學卓越創新中心供圖

從為植物細胞增加一條全新的D1合成途徑并顯著提高光能利用效率而言，這一原始創新性的發現具有重要的理論意義和應用價值。鑒于工作的創新性，Nature Plants同時刊發了相關領域國際知名學者撰寫的評論和觀點文章。

郭房慶組科研團隊突破常規的思維定式和認知局限，認為D1可能是PSII這個“木桶”中最短的“板”，補充D1很可能是提高植物光合效率的關鍵點。科研團隊成員陳娟華和陳思婷將克隆的擬南芥葉綠體基因psbA整合到核基因組中，并由強力響應高溫脅迫的啟動子驅動表達。

將這一全新構建的融合基因整合進擬南芥、煙草和水稻基因組，相當于將它們天然具有的葉綠體基因psbA成功“拷貝”到核基因組并同時獲得響應高溫脅迫啟動表達的特性。每種植物三個改良株系均生長旺盛，高溫抗性，光合效率，二氧化碳同化速率，生物量方面相較于野生型均有大幅度的增加，效果顯著。

相較野生型，生物量的增加幅度在擬南芥轉基因株系為43.7-80.2%，煙草為15.1-22.3% ，水稻為20.6-22.9%。水稻轉基因改良株系大田條件下的產量測產分別在上海和海南三亞育種基地進行，經過多年的驗證，增產幅度在8.1-21.0%之間。

郭房慶研究組的突破性進展證實了植物在正常生長和高溫脅迫下對于D1的需求是高水平的，天然的葉綠體D1合成途徑滿足不了植物快速生長和抵抗高溫脅迫對于新合成D1蛋白的需求。

該發現顛覆了這個領域科學家對于D1蛋白在光合作用中限制性功能的認知，為提高植物光能利用效率方面的一個重要突破性進展，為應對溫室效應導致全球氣候變暖條件下的糧食安全生產挑戰提供了解決方案。

該工作得到了中國科學院先導項目（B類）、科技部國家重點研發計劃和國家自然科學基金委員會等項目的資助。