将光合作用的油门加大

常伟东

2014年我进入中国海洋大学海洋与大气学院物理海洋学专业攻读硕士学位并获得硕博连读资格攻读博士学位，在我国海洋学家吴立新院士的指导下从事海洋中小尺度能量传递过程系统研究。

将光合作用的油门加大我的研究課题是植物光合作用中重要蛋白的分子功能机制。植物光合作用大家都不陌生，它是植物利用太阳能将无机物转化成有机物的生化反应，通俗地讲，就是植物将不能吃的东西（无机物）变成能吃的东西（有机物），供整个生物圈99.9%的生物吃饭。

既然地球上这么多植物进行这个工作，我们研究它有什么意义？

光合作用这一生物学反应正是粮食和能源的源泉，如何让能量有更多的产出，正是我们研究的目标。我们的工作就是修葺水源的源头，让更多的能量之水流向粮食和能源。

我们可以将光合作用这一反应比作一个有多个机器的生产车间，每一台机器生产一种或几种物质，然后交给下一台机器，如此传递下去，最终生产出我们需要的产品。每一台机器又有若干零件组成，这些零件来自于细胞核和叶绿体基因的指导合成，然后运送到生产车间，组装成一台台机器进行生产活动。生产多少零件？组装多少机器？机器生产多少中间产品再交给下一台机器？这些问题由其他的调控因子和组装因子完成（类似于生产车间的电脑控制系统）。

我们的研究就是对这些零件和控制系统进行解剖，拆卸，分析其功能，然后利用分子生物学技术改造并优化，生产更多的粮食和能源。对于化学家来说，他们可以借助我们解剖的光合反应流程模拟高效的催化剂，利用太阳能催化水和空气中的温室气体二氧化碳生成能源物质;对于物理学家来说，可以利用生物分子间的空间构型优化机器结构。

我们课题组主要集中在光合作用组装因子和一些重要蛋白功能的探索上，也就是生产车间的第一台机器以及它的调控和组装因子。这台机器可以说是光合作用的动力系统，一旦停止，整个光合作用就停止工作。

在研究中，我们利用基因编辑技术拆掉了其中一个零件之后（破环掉一个组装因子基因），接收光能的天线牢牢地固定在机器上，源源不断地为机器提供太阳能，相当于把动力系统的油门加大了，我们需要的终产物增加了，也就是能源和粮食的产出更多了。目前我们正对于这一生物学事件的具体过程进行研究，可以说是前景一片光明。

研究植物光合系统中重要蛋白功能机制意义重大，就像机器的零件，它的原理是什么，如何改造更有利于机器的运转，这是我们做光合的科研人一直追求的目标。2019年2月，《自然》杂志公布了一篇关于光合作用方面的文章，通过改变植物的光呼吸从而增加植物整体生物量的积累，积累量比未改造株系多出41%。他们的研究内容与我们的研究同属于一个领域，说明我们在光合作用“零部件”的研究中是有用的。这只是在部分领域取得的阶段性成果，对于光合机器的认识之路依然有漫长的路要走。

责任编辑：徐玲玲