华南农业大学生命科学学院研究员彭新湘、教授朱国辉、副研究员张智胜团队在国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助下，研究揭示了光合作用和光呼吸代谢调控的新机制，为作物高光效和抗性育种提供了新思路。相关成果近日发表于《新植物学家》（New Phytologist）和《植物生理学》（Plant Physiology）。
光合作用是作物产量形成的物质基础，植物90%以上的干物质直接来源于此，提升光合效率是作物增产的关键途径。光呼吸是伴随光合作用发生的一个物质与能量消耗性过程，但在漫长的演化历程中，它已成为植物维持基础代谢和氧化还原平衡所必需的代谢途径。因此，阐明光合与光呼吸的精细调控机制，对提高作物光合效率、抗逆性和最终产量至关重要。
研究团队为发掘高光效基因，利用拟南芥Fd-GOGAT突变体glu1构建了突变体库，并筛选到表型恢复突变体rog1。基因克隆证实ROG1编码ABA合成关键酶ABA2，揭示了ABA在调节氮素利用和光合作用中的关键功能。研究发现，ABA对光合作用的抑制作用依赖于ABA信号通路上转录因子ABI5。机制研究表明，ABI5作为转录抑制因子，能够直接结合关键碳同化基因和氮同化基因的启动子，抑制其转录活性。
研究进一步评估了靶向ABI5的应用潜力：在拟南芥中，abi5-8突变体在正常条件下Rubisco最大羧化速率提升32%，单株生物量和种子产量分别增加16%和37%。在水稻田间实验中，osabi5突变体光合速率提高7-16%，光合氮利用效率提高13-19%，单株生物量和产量分别增加13-14%和10-18%。后续可利用基因编辑技术微调ABI5基因的表达，进一步评估其在作物高光效育种中的应用价值。该研究首次揭示了ABA通过ABI5协同负调控碳氮同化、抑制光合作用的新机制，而降低ABI5表达可显著提升拟南芥和水稻光合效率、生物量和产量，为农作物增产提供了新的思路。相关成果发表于《新植物学家》。
团队前期发现乙醇酸氧化酶与过氧化氢酶的互作/解离（以下简称GC开关）调控光呼吸过氧化氢水平，此过程受到水杨酸（SA）调节，但内在分子机制并不清楚。该研究发现，在水稻过氧化物酶体中可检测到硫化氢的存在，且定位于过氧化物体的乙醇酸氧化酶与过氧化氢酶均存在过硫化修饰，而SA能促进这种修饰。利用可视化工具材料等体内实验表明，硫化氢可在植株与细胞水平快速降低乙醇酸氧化酶-过氧化氢酶相互作用；表面等离子共振等实验证实硫化氢在体外同样可诱导乙醇酸氧化酶-过氧化氢酶发生解离，表明硫化氢可作为GC开关的直接调控因子。蛋白关键位点研究发现：乙醇酸氧化酶蛋白Cys344位点的过硫化修饰调控GC开关，且不影响其酶活性；而过氧化氢酶蛋白Cys230位点的过硫化修饰会抑制其自身活性，但不影响GC开关状态。
此外，外源硫化氢能诱导过氧化物体的氧化态，且与乙醇酸同时处理具有协同效应，表明硫化氢与SA类似，可在短时间内快速诱导光呼吸过氧化氢信号。研究还揭示了一个重要的反馈调节机制：乙醇酸氧化酶与过氧化氢酶的过硫化促进光呼吸过氧化氢产生，而高水平过氧化氢又会反馈降低二者的过硫化水平，从而恢复GC开关状态和过氧化氢酶活性，避免过氧化氢的持续积累。该研究完善了“SA-GC开关-过氧化氢”的调控网络，为深入理解SA、硫化氢与过氧化氢的交叉对话及其氧化还原调控机制提供了新的认知，也为未来利用该通路调节植物抗逆性奠定了理论基础。
相关论文信息：http://doi.org/10.1111/nph.70409
https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf369
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