综述：光、碳和氮代谢途径在调节水稻产量中的作用

时间：2026年2月1日

来源：Journal of Genetics and Genomics

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水稻生产力源于光、碳、氮代谢的协同调控，光信号通过光受体调控转录网络，驱动光合作用和氮代谢；碳代谢为氮吸收提供能量和碳骨架，二者动态平衡影响产量。研究重点在于光、碳、氮信号通路的整合机制及转录因子网络的核心作用，为培育高效利用资源的水稻品种提供理论依据。

吴晓康|吴坤|李继刚|林荣成

生物技术研究所，香湖实验室，杭州，浙江311231，中国

摘要

水稻的生产力源于一个相互依赖的系统：最佳的氮利用效率能够实现高效的光信号传导、光合作用能量捕获和碳固定（最终产生碳水化合物），而这些过程又受到它们所调节的氮状态的精细调控，共同优化了植物的生长和产量。光信号传导通过光受体介导，将环境信号转化为转录重编程，从而引发特定的细胞反应。同时，光合作用将光能转化为化学能和糖信号，这些信号协调植物的生长和发育。氮不仅作为所有核心生物分子的基本构建块，还作为一种主要的调控信号，通过控制植物的物理结构和发育程序来最终决定作物产量。因此，光、碳和氮代谢的协同协调通过调节碳氮平衡及相关生理过程来支撑作物生产力。本综述总结了光作为信号和能量来源的双重作用，以及它与糖和氮代谢在多个生物层面上的整合，从而塑造水稻的产量特性。我们进一步分析了关键转录因子网络如何作为核心枢纽，整合光、碳和氮途径，以增强光合作用能力、氮同化作用和生殖发育，为培育具有优异资源利用效率的高产水稻品种提供战略见解。

引言

水稻（Oryza sativa L.）是世界上超过一半人口的主食，提高其产量和生产力对全球粮食安全至关重要（Sharif等人，2014年）。水稻产量不是由单一的遗传或环境因素决定的，而是内部信号网络和外部信号的复杂整合结果。其中，光和光合作用产物（碳水化合物）是植物生长和发育的主要驱动因素（Li等人，2025年）。通过各种光受体感知光，会启动信号级联反应，调节关键的发育过程，包括植物结构和开花的关键转变。同时，光合作用将光能转化为化学能和糖信号，这些信号协调植物的生长和发育。氮不仅作为所有核心生物分子的基本构建块，还作为一种主要的调控信号，通过控制植物的物理结构和发育程序来最终决定作物产量。因此，光、碳和氮代谢的协同协调通过调节碳氮平衡及相关生理过程来支撑作物生产力。本综述总结了光作为信号和能量来源的双重作用，以及它与糖和氮代谢在多个生物层面上的整合，从而塑造水稻的产量特性。我们进一步分析了关键转录因子网络如何作为核心枢纽，整合光、碳和氮途径，以增强光合作用能力、氮同化作用和生殖发育，为培育具有优异资源利用效率的高产水稻品种提供战略见解。

光信号对水稻产量特性的调控

光信号通路，包括光受体，通过协调关键的发育过程来关键性地调控水稻产量（Jing和Lin，2020年）。为了感知和响应动态的光照条件，植物利用复杂的光受体依赖系统来协调其生长和发育的各个方面，从而最终影响产量（图1）。

光作为能量通过糖途径调控水稻产量特性

作为光合作用的基本产物，糖分为植物合成代谢提供主要的能量和碳骨架。除了这些基本作用外，蔗糖和其他糖类还作为重要的信号分子，协调水稻的关键发育过程，包括分蘖、开花和结实（Wang等人，2025b年）（见图1；表1中的示例）。

氮信号对水稻产量特性的调控

氮是调控作物生产力的最关键矿物质营养素，它既作为基本的结构成分，也作为动态的调控信号。作为构建块，氮构成了包括蛋白质、核酸、叶绿素和激素在内的基本生物分子，从而支撑植物生长的几乎所有方面，从光合作用效率和能量代谢到细胞分裂和生物量积累。除了其结构贡献外，氮还作为一种内在的信号分子，调节转录网络并协调影响关键产量相关特性的发育程序，包括分蘖、开花时间、籽粒形成和资源分配。

作物产量从根本上受到光合碳和氮平衡协调的调控，这两种大量营养素对植物发育至关重要。光合作用能力与叶片氮含量密切相关，植物通常将约75%的叶片氮分配给叶绿体以支持光合作用过程（Evans，1989年）。相反，高效的氮同化依赖于强大的光合作用活性，因为光合作用的产物，如来自光合产物的碳骨架，以及ATP和NADPH，对氮代谢是不可或缺的（Poorter和Evans，1998年；Li等人，2021年；Guan等人，2025年）。此外，光可以直接通过促进转录因子ELONGATED HYPOCOTYL5（HY5）从地上部分向根部的转移来调节氮的吸收和代谢（Chen等人，2016年）。因此，作物产量从根本上受到光合产物和氮的吸收以及光合产物从源组织向 sink 器官的有效运输的调控（Wang等人，2025a年）。本综述总结了目前对光和糖信号通路如何与氮利用相结合来调控水稻生产力的理解。我们研究了光受体和糖转运蛋白的作用，探讨了感知和转化能量和营养状态的中央调控网络，并强调了转录因子如何协调这些输入以最大化产量。这种更深入的机制见解为开发具有优异资源利用效率的高产水稻的下一代育种策略提供了整体框架。

小节摘录

光信号对水稻产量特性的调控

光作为能量通过糖途径调控水稻产量特性

作为光合作用的基本产物，糖分为植物合成代谢提供主要的能量和碳骨架。除了这些基本作用外，蔗糖和其他糖类还作为重要的信号分子，协调水稻的关键发育过程，包括分蘖、开花、籽粒充实和籽粒产量（Wang等人，2025b年）（见图1；表1中的示例）。

氮信号通路对水稻产量特性的调控

氮是植物生长的基本营养素，在有氧和厌氧或酸性条件下，硝酸盐（NO₃^-）和铵（NH₄⁺）分别是主要的无机氮来源，而尿素、氨基酸和肽等有机氮化合物也可以被直接吸收（Kojima等人，2007年；Tegeder和Rentsch，2010年；Liu等人，2022年）。在水稻（Oryza sativa L.）领域已经取得了显著进展，多项关于氮利用效率（NUE）的研究……

光和碳信号共同调节氮的吸收和代谢

光信号通路的成分在调节氮的吸收和代谢中起着重要作用。早期研究表明，HY5（bZIP转录因子家族的成员）以光依赖的方式抑制下胚轴生长和侧根发育，并促进色素积累（Ang等人，1998年；Gangappa和Botto，2016年）。有趣的是，HY5还参与碳和氮平衡的感知，通过从地上部分向根部转移（Chen……

转录因子整合光、碳和氮途径以提升籽粒产量

许多研究已经确定了与提高籽粒产量、氮利用效率（NUE）和光合作用效率相关的基因（Liu等人，2022b年）。然而，过度强调光诱导的光合作用碳固定而忽视氮和磷同化的改进可能会导致代谢瓶颈。相反，在高产作物中过量施用氮可能会通过反馈抑制作用抑制光合作用效率，这突显了……

展望

基于目前对光受体介导的水稻产量特性调控的理解，未来的研究应优先利用系统生物学来解析光敏色素和隐花色素信号网络，特别是OsphyB和OsphyC在调控抽穗日期和穗发育方面的协同和拮抗作用。尽管已经证明许多光受体及其信号成分可以调控水稻的产量相关特性，但协调这一复杂过程……

未引用的参考文献

Chen等人，2015年；Griffin和Toledo-Ortiz，2022年；Hoque等人，2006年；Huang等人，2019年；Lay-Hong等人，1998年；Li等人，2021a年；Liu和Sabatini，2020a年；Liu等人，2023年；Lin等人，2020b年；Liu等人，2021年；Nemoto等人，2016年；Shen，1969年；Wang等人，2022a年；Wang等人，2022b年；Wang等人，2018年；Wullschleger等人，2006年。