新研究：提高大豆光合作用效率可大幅增加产量

新研究：提高大豆光合作用效率可大幅增加产量一项新研究说，通过基因改造可以提高大豆光合作用效率，使大豆在质量不变情况下最多可增产33%。光合作用指植物利用光能，将水和二氧化碳转化为有机物并释放氧气的过程。据介绍，遇到过强光照时，植物出于自我保护会激活叶黄素循环，从而使叶片释放多余能量，免受强光侵害；当光照因遮挡等原因减弱时，叶黄素循环这一保护性机制就会关闭，从而使植物叶片可在适当光照强度下进行光合作用。植物关闭叶黄素循环的“切换”过程往往持续数分钟，对农作物来说，这浪费了本可用于光合作用的时间。在农作物整个生长周期中，这些零碎的“数分钟”合起来占据不少时间。美国伊利诺伊大学厄巴纳-尚佩恩分校研究人员领衔的团队近日在美国《科学》杂志发表论文说，大豆中被称为“VPZ”的结构可以调控叶黄素循环，该结构包含3个编码与叶黄素循环有关蛋白质的基因。在田间试验中，研究人员把大豆“VPZ”结构包含的3个基因过表达，加速了关闭叶黄素循环的“切换”过程，提高了大豆光合作用效率。结果显示，大豆产量提高20%以上，产量最高区域增产33%，并且没有影响大豆质量。研究人员先前已在烟草试验田内做过类似试验，证实对烟草的基因改造有助于提升光合作用效率，因此把试验对象拓展到大豆。眼下他们已在更多区域种下这种经过基因改造的大豆，预计2023年年初可以获得结果，以进一步验证效果。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1307905.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1307905.htm

利用人工光合作用种植作物

利用人工光合作用种植作物光合作用通常是指绿色植物吸收光能后，把二氧化碳和水转化为有机物（包括可供食用的部分）和氧气。但这个过程的能量效率非常低——只有约1%的太阳能会被植物利用。近日，通过一种人工光合作用的方法，将二氧化碳和水转化为了食物。研究人员利用的是他们自主开发的两步串联电解装置，以及两步电催化方法：首先将二氧化碳和水转化为醋酸盐，然后在黑暗环境下培养可制造食物的生物体，这些生物体能够通过“吃”醋酸盐来繁殖。其中，电能是利用太阳能电池板产生的。研究人员表示，这种有机-无机混合系统可以将能量转化效率（太阳能到“食物”）最多提升到植物的18倍。他们还探究了利用该技术种植农作物的潜力，结果发现，豇豆、番茄、烟草、大米、油菜和绿豌豆都能在黑暗环境中，使用醋酸盐中的碳来生长。研究人员表示，这种人工光合作用的方式或可以用在城市中以便种植作物，或用于未来的太空探索。

由于空气更清新 植物在周末的光合作用“生产力”更高

由于空气更清新植物在周末的光合作用“生产力”更高研究人员分析了2018年至2021年间欧洲植物叶片中叶绿素发出的光量的卫星测量结果，这代表着光合作用的发生量。通过与同期空气污染的卫星测量结果进行比较，他们发现，当气溶胶含量较低时，光合作用率就会提高。气溶胶是一种污染，包括灰尘以及由野火和人类活动产生的烟雾。气溶胶会阻止阳光照射到地球表面，从而影响植物的光合作用能力。当大气中的气溶胶污染较少时，更多的阳光可以照射到植物的叶子上。道路车辆产生的气溶胶污染会限制植物的光合作用能力图源：AlekseiGorodenkov/Alamy研究人员发现，在欧洲64%的地区，周末的光合作用率较高。He说：“周末的交通和工业活动较少，空气比工作日更清新，因此我们看到了很强的‘周循环’。”此外，与其他年份相比，2020年的气溶胶污染由于covid-19大流行而大幅减少，因此在这一年，植物一整周都很有“生产力”。研究表明，降低气溶胶含量，尤其是运输或工业生产过程中产生的气溶胶含量，可以让植物捕获并储存更多的碳。He说：“改善空气质量不仅有利于人们的健康，而且对生态系统的生产力也非常有利。”相关论文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2306507120...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1399227.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1399227.htm

科学家捕捉到光合作用“从水到氧”过程

科学家捕捉到光合作用“从水到氧”过程日本冈山大学教授沈建仁等人成功捕捉到了负责植物光合作用的蛋白质中存在的催化剂吸收水分子的瞬间。研究报告发表在本周出版的《》期刊上。光合作用是指植物和藻类利用阳光分解水和二氧化碳、产生能量和氧气的反应。名为“光系统Ⅱ”的约20个蛋白质与叶绿素组成的复合体吸收光能，从水分子中分离电子和氢离子，形成氧气分子的过程是光合作用的开始。研究团队此前捕捉到水分子被光系统Ⅱ吸收之后的情形，但不知道这一过程中发生了什么。研究团队在X射线激光设施“SACLA”中，利用持续数十飞秒(1秒的1000万亿分之一)的X射线进行闪光拍摄，捕捉到了光系统Ⅱ蛋白质的快速活动。用可见光照射蛋白质，在促进反应的同时，通过X射线照射分析了吸收水分子后立体结构发生变化的情形。沈教授表示，今后将对光系统Ⅱ的最后一步，也就是出现氧分子的过程进行分析。如果能解析植物的光合作用，并应用其原理，或有望实现人工光合作用。来源，图：圆形的大型放射光设施“SPring-8”和直线型的X射线自由电子激光设施“SACLA”频道：@kejiqu群组：@kejiquchat

基因编辑技术新突破：可促进作物光合作用

基因编辑技术新突破：可促进作物光合作用RIPE团队利用CRISPR/Cas9技术，通过改变上游调控DNA来提高水稻的基因表达量。虽然其他研究已经利用该技术敲除或降低了基因的表达，但他们的研究是首次采用无偏见的基因编辑方法来提高基因表达和下游光合作用活性。资料来源：RIPE项目"CRISPR/Cas9等工具正在加速我们微调作物基因表达的能力，而不仅仅是敲除基因或将其'关闭'。"该研究的第一作者、UCBNiyogi实验室前博士后研究员DhruvPatel-Tupper说："过去的研究表明，这种工具可以用来降低参与重要权衡的基因的表达，例如植物结构和果实大小之间的权衡。据我们所知，这是第一项研究，我们询问是否可以使用同样的方法来增加基因的表达，并以一种无偏见的方式改善下游活性。"这项研究发表在《科学进展》（ScienceAdvances）上，是"实现光合效率提高"（RIPE）项目的一部分，该项目是由伊利诺伊大学领导的一项国际努力，重点是通过提高粮食作物的光合效率来增加全球粮食产量。利用天然植物基因与利用来自其他生物的基因来改善光合作用的合成生物学策略不同，参与光保护过程的基因天然存在于所有植物中。2018年《自然-通讯》（NatureCommunications）发表的一篇论文指出，通过在植物体内过量表达其中一种基因PsbS，可以提高作物的水分利用效率，受此启发，Niyogi实验室及其负责人克里斯-尼约基（KrisNiyogi）希望弄清楚如何在不添加外来DNA的情况下改变植物原生基因的表达。鉴于水稻是一种主食，而且三种关键光保护基因都只有一个拷贝，因此水稻被选为这项研究的理想对象。研究人员使用CRISPR/Cas9改变目标基因上游的DNA，该DNA控制着基因的表达量和表达时间。他们的目标是发现这种改变如何能增强下游活性。"他们的实验结果超出了预期。"美国农业部AAAS科技政策研究员帕特尔-图珀说："DNA中增加基因表达的变化比我们预期的要大得多，也比我们在其他类似报道中看到的要大得多。""我们有点惊讶，但我认为这说明了植物和作物的可塑性有多大。经过数百万年的进化和数千年的驯化，它们的DNA已经习惯了这些巨大的变化。"他补充说："作为植物生物学家，我们可以利用这种'回旋余地'，在短短几年内做出巨大改变，帮助植物更有效地生长或适应气候变化。"基因修饰的影响和效率研究人员了解到，反转或调控DNA的"翻转"会导致PsbS基因表达的增加。这个项目的独特之处在于，在对DNA进行最大反转之后，研究小组成员进行了一次RNA测序实验，以比较水稻基因组中所有基因的活性在进行和未进行修改的情况下发生了怎样的变化。他们发现，有差异表达的基因数量非常少，比类似的转录组研究要少得多，这表明他们的方法并没有影响其他重要过程的活性。帕特尔-图珀补充说，虽然研究小组证明这种方法是可行的，但仍然比较罕见。他们培育出的植物中约有1%具有理想的表型。结论和对未来的影响帕特尔-图珀解释了这项研究的影响，他说："我们在这里展示了一个概念验证，即我们可以使用CRISPR/Cas9在关键作物基因中产生变体，并获得与传统植物育种方法相同的飞跃，但针对的是我们想要设计的非常集中的性状，而且时间尺度要快得多。这肯定比使用转基因植物方法更困难，但通过改变已经存在的东西，我们也许能够预先解决监管问题，这些问题可能会延缓我们将这样的工具迅速送到农民手中的速度。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435187.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435187.htm

密歇根大学发明集中式光合作用装置 有望带来廉价的绿色氢气

密歇根大学发明集中式光合作用装置有望带来廉价的绿色氢气地球是一个以太阳能为动力的星球；地球上生命所需的绝大部分能量来自于太阳--而其中的很多能量，包括食物和化石燃料都是基于植物的光合作用的结果--将阳光、水和二氧化碳转化为氧气和糖类。光合作用的第一个化学步骤发生在使叶子呈现绿色的叶绿素中--这个步骤实际上是一个将水分离的操作，将H2O分解成氧气，释放到空气中，以及带正电荷的氢离子，这些氢离子驱动着整个过程的其余部分，最终使植物能够以碳水化合物的形式储存能量。进化在光合作用中提供了非凡的礼物，随着人类努力摆脱化石燃料的有害副作用，研究人员正在努力复制，甚至改进这第一步，希望开发出人工光合作用技术，一些人预测这将最终成为生产绿色氢气的最廉价方式，作为能源储存介质使用。密歇根大学电气和计算机工程系教授ZetianMi说："最终，我们相信人工光合作用设备将比自然光合作用更有效，这将提供一条通往碳中和的道路。"Mi和他的团队刚刚在《自然》杂志上发表了一篇论文，他们认为这是人工光合作用的一个重大飞跃。该团队展示了一种新的光催化分水半导体，它利用包括红外光谱在内的广泛的太阳光，以9%的效率分水--比其他同类设备几乎提高了10倍--而且它是一个微小的、相对实惠的设备，能随着时间的推移而改进而不是退化。该装置使用一个窗口大小的透镜来集中阳光进行测试BrendaAhearn/密歇根大学"与一些只在低光强度下工作的半导体相比，我们将半导体的尺寸缩小了100多倍，"电气和计算机工程的研究员、该研究的第一作者周鹏说。"由我们的技术生产的氢气可能非常便宜"。这项由麻省理工学院的独立半导体团队发明的新技术使用集中的太阳光--这是许多其他人工光合作用装置所没有的选择，因为高强度的光和高温往往会导致它们分解，但是一种由生长在硅表面的氮化镓铟纳米结构制成--不仅能极好地承受光和热，它实际上随着时间的推移提高了氢气生产效率。由生长在硅表面的氮化镓铟纳米结构制成的光催化剂表现出自愈特性，可以承受相当于160个太阳的集中阳光照射其他系统的目的是避免发热，而这个装置却依赖于发热。半导体吸收较高频率的光，为其分水过程提供动力，它被放置在一个有水流过的腔室内。较低频率的红外光被用来将腔体加热到大约70°C（158°F），这加速了分水反应，同时也抑制了氢分子和氧分子在被单独收集之前重新结合成水分子的趋势。在使用纯净水的理想化实验室测试中，该设备达到了9%的效率，如果使用市政自来水，可以达到约7%。而在模拟大规模光催化水分离系统的户外测试中，由变化广泛的自然阳光供电，它的效率为6.2%。这些光催化效率数字落后于我们报道过的一些光电化学设备，如澳大利亚国立大学的电池为17.6%，或莫纳什大学的设备为破纪录的22%。但是这些设备由于其性质而显得更加昂贵，它们使用光伏电池为电化学分水提供动力；美国能源部对氢气生产的最终技术目标是，光电化学系统的效率为25%，双床光催化系统的效率为10%--根据2011年的计算，这两种方法的氢气成本约为2.10美元/公斤（2.2磅）。该团队表示，当暴露在强烈的阳光和高温下时，该设备的独特半导体会得到改善，而不是退化。也许最令人兴奋的是，密歇根大学设备对自来水的7%的效率数字在分离海水时也是如此。淡水远不是一种无限的资源；它在许多地区已经严重短缺，而且人们普遍预计它在未来几十年将变得更加稀少和珍贵。因此，一种能够从海水中提取氢气而不需要除阳光以外的任何外部能量输入的光催化装置可能是脱碳时代的一个真正的游戏规则改变者。该团队表示，它正在努力提高进一步研究的效率，以及所产生的氢气的纯度，但这里开发的部分知识产权已经被授权给密歇根大学的衍生公司NSNanotech和NXFuels。"我们使用的材料，"Mi说，"氮化镓和硅，也可以大规模生产，我们可以利用目前的基础设施，在未来进行低成本的绿色制氢。"一如既往，决定这一设备命运的将是商业可行性。绿色氢气必须具有成本竞争力，不仅与使用甲烷气体生产的肮脏氢气相比，还要与廉价的化石燃料本身相比，如果它要在规模上发挥作用。这种方法确实依赖于一些稀有金属，如镓和铟，但由于所需的半导体尺寸很小，这里的成本冲击就大大降低了。我们期待着看到它在工业应用中的表现。这项研究发表在《自然》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1338913.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1338913.htm