2022年8月，美国伊利诺伊大学Stephen P. Long等人在Science发表了题为Soybean photosynthesis and crop yield are improvedby accelerating recovery from photoprotection的文章，该研究对全球第四大粮食作物大豆进行生物工程改造，以期探索光照管理对大豆光合作用及种子产量的影响。
doi : 10.1126/science.adc9831
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缩略词
非光化学淬灭系数(NPQ)能量依赖性淬灭(qE)玉米黄质环氧化酶(ZEP)紫黄质脱环氧化物酶(VDE)光系统 II(PSII)光系统II亚基S(PsbS)叶黄素循环(VAZ)02
作物在频繁的光照/遮阴过渡时会出现NPQ松弛速度减慢，导致用于光合作用的光化学能大量损失。而VDE、PsbS和ZEP(VPZ)被认为是影响NPQ松弛的重要因素。
图1.生物工程中不同大豆材料的蛋白质表达、产量及种子营养组成
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该团队早前报道在烟草中上调VPZ表达加快了NPQ松弛速率，使其地上部增产14%-21%。本研究设置了三种转基因过表达大豆材料(AtVDE、AtPsbS和AtZEP)的田间试验，结果表明大豆中这三种转基因的过表达加速了光照/遮阴过渡期间NPQ松弛，提高大豆在光线波动下的光合效率。
图2.不同光照强度下NPQ松弛变化
图3.野生型(WT)和转基因大豆品系的生长阶段
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通过在稳态和波动光照条件下对大豆不同光照水平的光合响应来评估光合效率的变化。结果表明当光线波动时，加速NPQ松弛速率才能有利作物产量，田间试验中，大豆AtVDE、AtPsbS和AtZEP过表达促进了NPQ松弛的加速，种子产量平均增加24.5%。
图4.稳态和波动光下的光合作用效率 图4.稳态和波动光下的光合作用效率
该研究通过生物工程手段成功提高了大豆在波动光照下光合效率，田间试验大豆产量显著提高，最高增幅达33%且未影响种子品质。该成果为全球粮食安全提供了新的解决策略，具有重要的理论和实践意义。
doi :10.1126/science.adc9831
