光氮耦合调控水稻叶绿素合成关键酶研究
摘 要：本综述对光氮耦合对水稻葉绿素合成关键酶调控研究的薄弱问题进行分析，旨在探究光氮耦合调控叶绿素合成关键酶的分子途径，以期探明光氮耦合调控叶绿素合成的最佳效应，探明不同光照条件下调控叶绿素合成的最佳氮肥配合方式，为光氮耦合调控叶绿素合成提供理论依据和技术支撑，并最终为水稻增产找到新的突破口。
关键词：光氮耦合;叶绿素;关键酶
一、研究意义
目前，我国水稻光能利用率很低，一般只有0.5%～1.0%，最高的也不过2%，高产水稻光能利用率也仅为1.5%～2.0%，而水稻理想的光能利用率为3.0%～5.0%。如果普遍把水稻光能利用水平提高到1%，那么生产水平就可在现有产量基础上提高1.5倍。过去几十年里倡导绿色革命期间，作物生理学家和育种家致力于水稻穗粒数和收获指数方面的研究，以期水稻增产，但其结果不尽如人意，水稻增产空间已达极
限[1]。在改变其他条件水稻产量停滞不前的前提下，通过提高叶片光合效率使水稻增产已迫在眉睫[2]。有研究表明，提高作物光合效率使其增产后，其他制约产量形成因素将不再成为水稻增产的限制条件[3]。因此，提高水稻光能利用率是提高水稻产量的关键。
提高水稻光合效率是提高其光能利用率进而提高水稻产量的关键途径。水稻光合效率提高的重要基础是叶片具备较多的叶绿素（Chlorophyll，Chl），叶绿素是绿色植物叶绿体内参与光合作用的物质基础，在光合作用的能量捕获以及能量传递和转化中起着重要作用。叶绿素含量是衡量叶片光合性能的重要指标，叶绿素含量高低可大体反应水稻光合物质生产能力的强弱，其直接或间接地与单位叶面积光合速率有关，并影响光能利用效率和产量，叶绿素含量高时光能利用率较高[4]。叶绿素含量的高低取决于其合成效率，其生物合成是一个复杂、多酶参与的过程，受诸多外在因素的影响，如光照、温度、矿质元素、水分和氧气。其中，光是叶绿素合成必不可少的条件，而某些矿质元素缺乏时也不能合成叶绿素，其中尤以氮素影响最大，同时也受诸多内在因素调控，如叶绿素合成过程中编码其合成酶的诸多基因：HEMA（谷氨酰-tRNA还原酶）、GSA（谷氨酸酰酯-1-半醛2，1氨基变位酶）、HEMB（5-氨基酮戊酸脱水酶）、HEMC（胆色素原脱氨酶）、HEMD（尿卟啉原Ⅲ合成酶）、HEME（尿卟啉原Ⅲ脱酸酶）、HEMF（粪卟啉原Ⅲ氧化酶）、HEMG（原卟啉原氧化酶）、CHLD（CHLH，CHL1，CHL2）（Mg-螯合酶）和CHLM（Mg-原卟啉Ⅸ甲基转移酶）等。叶绿素的合成是决定植物光合效率的重要性状，是决定作物产量的重要因素。因此，叶绿素的合成成为研究提高水稻光合效率并最终实现水稻增产的关键。
近年来，叶绿素合成过程中的酶以及编码这些酶的基因已被鉴定出来，但众多研究主要集中在光照或氮素单一因素对叶绿素合成过程中酶的调控，而关于光氮耦合条件下的研究极少。目前，水稻的周年光能利用率往往不足1%，光能通常以各种形式浪费掉[5]。因此，光能的浪费和氮肥利用效率的降低成为水稻增产的瓶颈。
二、国内外研究现状及发展动态
（一）光对叶绿素合成的调控作用
光是植物进行光合作用并赖以生长的前提条件，是叶绿素合成过程中必不可少的条件。叶绿素的合成是一个由多酶参与的复杂过程，经过15步反应，由15种酶催化。具体而言，叶绿素的生物合成包括两部分：第一部分是L-谷氨酰-tRNA→谷氨酸酰酯-1-半醛→δ-氨基酮戊酸→胆色素原→羟甲基胆色素原→尿卟啉原Ⅲ→粪卟啉原Ⅲ→原卟啉原Ⅸ→卟啉原Ⅸ，参与反应的酶分别是谷氨酰-tRNA还原酶、谷氨酸酰酯-1-半醛2，1氨基变位酶、5-氨基酮戊酸脱水酶、胆色素原脱氨酶、尿卟啉原Ⅲ合成酶、尿卟啉原Ⅲ脱酸酶、粪卟啉原Ⅲ氧化酶和原卟啉原氧化酶8种酶，对应的编码基因分别是HEMA、GSA、HEMB、HEMC、HEMD、HEME、HEMF和HEMG;第二部分是原卟啉Ⅸ→Mg-原卟啉Ⅸ→Mg-原卟啉Ⅸ甲酯→联乙烯原叶绿素酸酯→原叶绿素酸酯→叶绿素酸酯→叶绿素a，依次需要Mg-螯合酶、Mg-原卟啉Ⅸ甲基转移酶、Mg-原卟啉Ⅸ单甲基酯环化酶、二乙烯基还原酶、原叶绿素酸酯氧化还原酶、叶绿素合酶和叶绿素酸酯α氧化酶7种酶催化反应，编码这些酶的基因分别是CHLD（CHLH，CHL1，CHL2）、CHLM、CRD1、DVR、POR、CHLG和CAO。其中，众多基因受光调节进而调节叶绿素合成，如HEMA1、HEMB1、GSA、CAO和POR等。光通过调节叶绿素合成过程中编码其酶的基因进而调节叶绿素合成，但对叶绿素合成效率的高低以及在水稻不同生育期编码这些酶基因表达量动态变化的研究十分薄弱。光驱动POR基因编码的酶催化原叶绿素酸酯（Pchlide）还原成叶绿素，是叶绿素合成过程中的关键调控步骤，由于POR被光激活，因此其可为酶反应提供光能。来自用莱茵衣藻GSATcDNA转化的大肠杆菌的体外酶活性测定显示，GSAT mRNA的水平在光照前0.5 h内几乎增加1倍，光照2 h后增加了26倍以上，表明GSA基因受光调节，初步推测适宜的光照可促进叶绿素合成。由上可知，编码这些酶的基因几乎都受光诱导表达。
（二）氮对叶绿素合成的调控作用
氮是叶绿素分子的重要组成部分，如组成许多酶的基质、类囊体蛋白以及天线色素，对叶绿素合成和叶绿体发育有重要影响，其通过对叶绿体发育、叶绿素合成及光合作用酶活性的影响对光合作用进行调节。叶片中氮素含量与光合能力紧密相关，其含量提高可提高光合速率。赵全志等[6]研究表明，氮与叶绿素的合成关系密切。植物出现缺绿症以氮素影响最大，缺氮会使叶绿素合成受阻，导致叶片发黄，光合作用减弱甚至停止，而适度的施氮量可提高植物的叶绿素含量。可见，氮在叶绿素合成中具有举足轻重的作用。
目前，有关氮对叶绿素合成关键酶调控的研究极少，多数研究集中在氮对作物光合特性、生长发育和产量等因素上，几乎没有对叶绿素合成关键酶的调控进行系统和动态研究。Zhou W等[7]研究表明，最佳施氮水平下，水稻叶绿素含量提高，并可使水稻光合面积、速率和时间均增加，水稻达到高产。对冬小麦叶绿素含量的研究发现，氮对叶片中叶绿素含量的影响显著，并且与产量关系密切。对拟南芥的研究发现，氮同化效率的提高可提高叶绿素合成效率，而缺氮时其光合效率较低。由上可知，目前关于氮素对叶绿素合成关键酶活性和基因表达的研究十分薄弱。
综上所述，光照和氮素是影响叶绿素合成和水稻光能利用率的重要因素，尽管关于光照对叶绿素合成关键酶及其基因表达调控有所研究，但研究尚不够系统深入;鲜见关于氮素对叶绿素合成关键酶及其基因表达调控的研究，未见关于光氮耦合对叶绿素合成关键酶及其基因表达调控的研究。立项研究光氮耦合对叶绿素合成关键酶及其基因表达调控，对提高水稻叶片光合效率，进而提高水稻光能利用率和产量，具有重要的理论价值和实践意义。
参考文献：
[1]Meacham Katherine，Sirault Xavier，Quick W Paul，et al. Diurnal Solar Energy Conversion and Photoprotection in Rice Canopies[J]. Plant physiology，2017（1）：495.
[2]Horton P. Prospects for crop improvement through the genetic manipulation of photosynthesis：morphological and biochemical aspects of light capture[J]. Journal of Experimental Botany，2000（343）：475-485.
[3]Parry Martin A J，Reynolds Matthew，Salvucci Michael E，et al. Raising yield potential of wheat.Ⅱ. Increasingphotosynthetic capacity and efficiency[J]. Journal of Experimental Botany，2010（2）：453-467.
[4]王会民，欧阳由男，刘法谋，等.株型对水稻光能利用效率影响的研究进展[J].中国稻米，2010（5）：12-15.
[5]Nagata Nozomi，Tanaka Ryouichi，Satoh Soichirou，et al. Identification of a vinyl reductase gene for chlorophyll synthesis in Arabidopsis thaliana and implications for the evolution of Prochlorococcusspecies[J]. The Plant Cell，2005（1）：233.
[6]趙全志，陈静蕊，刘辉，等.水稻氮素同化关键酶活性与叶色变化的关系[J].中国农业科学，2008（9）：2607-2616.
[7]Zhou W，Lv T，Yang Z，et al. Morphphysiological mechanism of rice yield increase in response to optimized nitrogen management[J].Scientific Reports，2017（1）：17226.
通讯作者：朱开才。