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科学家们通过转基因过表达叶黄素循环VPZ三个基因，使得大豆在保持质量的前提下增产24-33%！关键在于这加速了植物在避免强阳光伤害的“光保护”与光合作用之间的切换效率。在粮食短缺人口增加和耕地不足的当下，这是粮食增产/保障粮食安全的一个特别值得关注的重点。
光合作用是所有植物将阳光转化为能量和产量的自然过程，有100多个步骤，效率低得惊人。研究人员一直在努力改进这个过程。在最近发表在《Science》杂志上的这项史无前例的研究中，美国伊利诺斯州立大学研究人员改进了大豆植株内的VPZ结构，以提高光合作用“切换”效率，在田间试验发现在保持质量的前提下产量因此大幅提高，平均增产达24%，最高增产可达33%！就全球总产量而言，大豆是第四大粮食作物，也是最重要的植物蛋白单一来源。如此重大的结果出现在一个非常关键的时刻，格外令人关注。
“实现提高光合效率”
实现提高光合效率是一个国际研究项目。在充足的阳光下，作物的叶子会通过诱导一种称为非光化学猝灭 (NPQ)的机制，以热量的形式消散那些吸收过剩的光能，以避免过剩光能形成会损害光合装置的活性氧，从而保护植物免受伤害。这种“光保护”对于植物是不可缺少的。
叶黄素循环是一种色素循环，参与植物的光保护。VPZ包含三个编码叶黄素循环蛋白质的基因 VDE、PsbS 和 ZEP，一旦在充足的阳光下，这个循环在叶子中被激活，以保护其免受伤害，让叶子消散多余的能量。然而，当太阳移动光照强度减弱时、或者天空时不时有云朵飘移遮住太阳时，这种光保护反应就需要逆转循环方向，让叶子可以在适当的光强度下继续进行光合作用。但是这种逆转需要更慢的几分钟才能关闭保护机制，从而浪费了植物原本可以用来进行光合作用的宝贵时间。
研究人员首先在烟草上进行试验并发现，烟草中 VDE、PsbS 和 ZEP ( VPZ ) 的上调可显著加速紫黄质叶黄素循环 (VAZ)，从而加快了 NPQ 的诱导和逆转，提高了在波动光照条件下通过 PSII 的 CO2同化和电子传输效率，但不会改变稳态下的光合效率；在重复的田间试验中，三个独立的转基因品系中枝条生物量产量增加了 14% 至 21%。
为了测试这种基因工程改造是否能够在主要农作物中实现增产，作者构建了VPZ基因工程大豆，在 2020 年和 2021 年夏天在美国伊利诺伊州Urbana进行了田间试验，以测试VPZ改造对大豆的光合作用、生长和种子产量的影响。
2020年，VPZ转基因的过表达导致种子产量显著提高：在八个独立的转基因品系中，五个显示出种子产量显著增加，没有出现产量降低案例。与野生型相比，这五个转基因品系的平均产量增加为 24.5%，其中 ND-18-34A 品系观察到的最大差异 (+33%)。更高的产量是由于每株植物的种子数更高。除了显示出更大种子质量的 YZ-19-21 品系外，转基因品系的种子总体上小于 WT。种子产量的增加是在蛋白质和油含量以及种子质量的大多数其他成分变化不到 1.3% 的情况下实现的。2021 年在种子数量和大小方面观察到了相同的趋势，但产量增加不显著，原因可能是灌浆前一场严重风暴导致试验田大豆倒伏冠层中间叶子长期被遮蔽而难以体现波动光下提升光合作用效率的优势（但平均豆荚数目增加13%）。
分析结果表明，VPZ三个基因的过表达加速了非光化学猝灭 (NPQ)的逆转过程，所以每当叶子从光到暗的转变时，光保护就会更快地关闭。叶子获得了额外的光合作用时间，导致在波动光下的光合效率提高。当整个生长季节加在一起时，增加了总光合速率。研究表明，在田间条件下，提高光合效率的基因工程改造能够使得大豆这种主要粮食和饲料作物的产量提高了20%以上，种子质量没有受到影响，大豆作物中没有添加氮肥。
“尽管产量更高，但种子蛋白质含量没有变化。这表明，从改善光合作用中获得的一些额外能量可能被转移到植物根瘤中的固氮细菌，”Stephen Long说。“烟草和大豆这两种截然不同的作物的产量现在都有很大的增长，这表明这种方法具有普遍适用性。”“我们的研究表明，实现增产很大程度上受到环境的影响。关键是要确定该结果在不同环境中的可重复性，并进一步改进，以确保获得的环境稳定性。”今年还将对这些转基因大豆进行更多的实地试验，预计将在2023年初取得结果。
“受粮食短缺影响的人数将继续增长的预测清楚地表明，需要改变粮食供应水平来改变这一情况，”“成熟农业技术项目”项目研究科学家、第一作者Amanda De Souza说。“我们的研究显示了一种有效的方法，可以帮助最需要粮食的人实现粮食安全，同时避免更多土地被投入生产。改善光合作用是获得所需产量增长潜力的一个重要机会。”“这项工作的主要影响是打开了一条道路，表明我们可以通过生物工程进行光合作用，并提高产量，以增加主要作物的粮食产量。”
他说:“对我个人来说，这是一条超过四分之一个世纪的路。“首先对作物光合作用的理论效率进行理论分析，通过高性能计算模拟整个过程，然后应用优化程序，指出我们的作物在这个过程中的几个瓶颈。过去十年的资金支持使我们能够减轻一些已指出的瓶颈，并在现场规模测试产品。经过多年的考验和磨难，看到团队取得如此辉煌的成绩是非常值得的。”
当今形势
俄乌战争引发多国先后宣布限制粮食出口，导致了粮食/作物涨价与潜在的粮食危机；中国2020年进口大豆超过1亿吨（平均价格2,734元）而2022年上半年进口大豆4628万吨而平均价格达到4176元；联合国最新报告《2022年世界粮食安全和营养状况》指出，2021年近10%的世界人口处于饥饿状态，在过去几年里，这一状况一直在不断恶化，在规模上超过了对全球健康的所有其他威胁。联合国儿童基金会预计，到2030年将有超过6.6亿人面临粮食短缺和营养不良。造成这种情况的两个主要原因是低效的粮食供应链(获取粮食)和气候变化造成的作物生长条件恶劣。
改善贫困地区的粮食获取、和提高粮食作物的可持续性是这项研究的主要目标。这是一个开始，它证实了基因工程技术是提高主要粮食作物产量的成功手段。
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