作物光合效率突破：引入远红光吸收叶绿素d/f可使大豆光合生产力提升26%

本研究针对作物叶片无法有效利用远红光(FR,700-800nm)的瓶颈问题，通过3D冠层模型模拟证实：将蓝藻特有的远红光吸收型叶绿素(Chl d/f)引入大豆光合系统，可显著增强冠层中下层叶片对FR光子的捕获能力。研究创新性地提出两种光敏色素调控策略，使大豆冠层CO2同化率最高提升26%，为突破作物产量瓶颈提供了全新思路。该成果发表于《Nature Communications》，为"设计光合作用"领域带来重大突破。

　　

在应对全球粮食安全的紧迫挑战中，提高作物光合效率被视为最具潜力的突破口。然而现有作物存在显著的"光谱浪费"现象——虽然能吸收90%的可见光(400-700nm)，但对能量约占太阳光21-36%的远红光(FR,700-800nm)几乎束手无策。这种局限在茂密冠层中尤为突出：上层叶片饱受光饱和之苦时，中下层叶片却因可见光匮乏而"忍饥挨饿"，形成巨大的光合潜力浪费。与此同时，自然界中某些蓝藻却展现出令人惊叹的光谱适应能力，它们通过合成特殊叶绿素(Chl d/f)可有效利用波长达800nm的光子。这一现象引发关键科学问题：能否将蓝藻的光谱扩展能力移植到作物中？这种改造能带来多大的增产潜力？

为回答这些问题，由Yu Wang、Thomas J. Oliver、Roberta Croce和Stephen P. Long组成的国际团队在《Nature Communications》发表了开创性研究。研究人员选择大豆作为模式作物，因其冠层结构能代表多数主粮作物，且作为全球第二大植物油和第一大植物蛋白来源，其增产需求尤为迫切。研究采用多学科交叉方法，结合蓝藻光谱特性测量、三维冠层光分布模拟与光合生理模型，首次量化评估了引入远红光叶绿素对作物生产力的提升潜力。

关键技术方法包括：1)使用射线追踪算法(FastTracer)构建三维大豆冠层模型，精确模拟不同波长光子(蓝/绿/红/FR)在冠层中的时空分布；2)测量Acaryochloris marina蓝藻细胞及提取Chl d的透射/反射光谱，确定FR吸收参数；3)建立耦合光吸收与CO₂同化的叶片生理模型，整合边界层导度、蒸腾速率等参数；4)设计两种FR吸收策略——全冠层恒定吸收与光敏色素调控的梯度吸收，通过稳态FvCB生化模型计算冠层碳同化增量。

【光环境与光合作用在冠层中的分布】

研究首先揭示了大豆冠层的光竞争困境：上层叶片吸收80-90%可见光导致光饱和，而中下层叶片可见光通量密度(PFD)不足却要承受高达5-6倍的FR/R光子比。模拟显示，在标准大豆冠层(叶面积指数6.9)中，底层叶片CO₂同化率近乎为零，形成显著的"光合空洞"。

【Chl d增强FR吸收的效果】

通过测量含Chl d的蓝藻细胞光谱，发现其光合蛋白可吸收86%的701-750nm光子，较游离Chl d红移15nm。模拟显示：在生殖生长阶段(R3期)，当叶片FR吸收率(Abs_FR)设为0.3时，冠层日均CO₂同化率(Ac)提升13.5%。引人注目的是，采用光敏色素感应FR/R比调控的"策略2"，使下层叶片Abs_FR最高达0.86，在保证上层叶片安全前提下，将Ac增幅进一步提高到13.7%。

【Chl f扩展吸收范围的优势】

更突破性的发现来自Chl f模拟：这种可吸收至800nm的色素，即使仅占叶绿素总量10%(模拟设定Abs_FR=0.1)，也能使Ac提升18.4%。当采用FR/R响应式调控时，对701-800nm光子的利用使Ac增幅高达26.1%，相当于每日多吸收22.7%的光子。温度模拟证实，这种智能调控可使正午叶片温升控制在1°C内，避免热损伤风险。

【讨论与意义】

该研究首次量化证实：通过合成生物学手段将蓝藻的Chl d/f系统引入作物，可突破"红光极限"，创造26%的产量提升空间——这相当于当前年育种增益的10倍以上。这一策略与现有光合改造途径(如Rubisco优化、C₄途径引入)具有协同效应：前者解决"光饥饿"，后者提升光饱和点。特别值得关注的是光敏色素调控的"智能表达"设计，它模仿蓝藻的FaRLiP(远红光光适应)机制，通过植物内源phytochrome系统实现色素合成的时空精准调控，既避免资源浪费，又降低光损伤风险。

从应用角度看，该研究为"设计作物"提供了明确方向：1)只需引入Chl f合成酶(ChlF)单个基因即可启动Chl f生产；2)光合蛋白对Chl d/f的结合实验已证明可行性；3)水利用效率(WUE)的同步提升(最高1.2%)增强了方案的抗旱性。正如作者强调，在气候变化加剧的背景下，这种"向远红要产量"的创新策略，可能成为保障2050年全球56%粮食需求增长的关键技术之一。