一、 光合作用产物是地球上生物质的唯一来源，是人类社会生存和持续发展的物质基础

光合作用是地球上最大规模的利用太阳能把二氧化碳和水等合成有机物并放出氧气的过程。它为几乎所有的生命活动提供有机物、能量和氧气。光合作用放出的氧气，是大气中氧气的最初来源。当今人类文明所需古生物燃料(包括煤、石油、天然气)是古代植物光合作用直接和间接的产物。如果没有植物的光合作用，就不可能有人类社会的生存和持续发展。当今人类面临的粮食、能源、资源与环境等问题与光合作用密切相关。

长期以来，光合作用机理研究是自然科学研究的核心问题之一，也是生命科学研究的前沿领域和热点之一。到目前为止，在光合作用及相关领域研究中取得的重大突破，已十余次被授予诺贝尔奖。我国人口不断增多与耕地面积不断减少的矛盾日益突出，粮食安全已成为我国国民经济可持续发展的重要环节。光合作用是作物产量形成的物质基础，提高作物光能利用效率是提高作物产量的重要途径之一。因此，光合作用研究在理论和实践上都具有重要意义，一直受到世界各国和科技界的高度重视。美国2002年12月形成了未来30年(2001-2030)生物质科技发展路线图，也提出4-10年内使植物光合作用光能利用效率提高10-20%，10年后提高1倍，单位面积产量翻番。

二、 我国粮食的增加主要通过提高作物单位面积产量来实现

保持农业持续稳定发展是我国国民经济发展的首要的和长期的目标。随着我国工业化和城市化水平的提高，土地和水资源的减少及环境的不断恶化，预计到本世纪30年代，粮食的总产量要在现有的基础上再提高约1/4。而我国现有可耕地面积已接近18亿亩的红线，也就是说，我国粮食产量的增加主要通过提高作物单产来实现。上世纪60年代，矮化水稻和小麦品种的培育和大面积推广，使得粮食作物的单产获得大幅度提高，实现了第一次“绿色革命”。此后，通过杂种优势利用、株型改良(增加吸收太阳光截面)及提高叶面积指数(增加光合面积)，水稻、小麦等作物单产获得进一步提高。但是，研究表明，目前水稻和小麦等作物的叶面积指数已经较高，难以进一步增加。大量研究表明，农作物产量的进一步提高需要通过提高生物量来实现，也就是说，单位土地面积上的作物必须合成更多的光合同化产物(见图 1)。

三、 提高作物光能利用效率是提高作物产量的重要途径

国内外研究表明，照射在叶片上的太阳光的可见光约有47%是在光合作用的作用光谱之外，植物不能吸收，而其余53%的太阳光可见光中，约有16%被叶片反射而不能被植物叶片吸收，大约有9%的太阳能可见光部分被植物吸收后，在体内通过光抑制，光耗散等损失；约有19%不能转化为稳定的化学能，呼吸消耗约4%。因此，一般C3植物^①光能利用效率理论上可达5%，而目前主要作物稻麦品种的光能利用效率仅为1%。因此，提高作物光能利用效率尚有巨大的潜力。光合作用光能高效吸收、传能和转能的分子机理及调控原理，碳素同化的代谢网络及调控因子是光合作用的核心科学问题，挖掘光能吸收、传递和转化的潜力是核心技术问题。

①  C3植物也叫三碳植物。光合作用中同化二氧化碳的最初产物是三碳化合物3-磷酸甘油酸的植物。

四、 光合作用高效吸能、传能和转能机理的突破是挖掘作物高效光能利用潜能的基础

光合作用光能吸收、传递和转化这一过程是在光合膜上具有一定分子排列和空间构象的色素蛋白复合体及电子载体中进行的。光合作用高效传能和转能的前提是不同色素蛋白超分子复合体的色素、蛋白和其它因子的组装、协同作用并根据不断变化的外界环境进行动态调节。在这些适应调节的过程中，蛋白酶、蛋白激酶、蛋白磷酸化酶以及分子伴侣等调控因子起着非常重要的作用。因此，这些调控因子在光合作用光能高效转化的运行调节中起着极为重要的作用。

挖掘重要调控光合作用光能利用和转化的功能基因，突破分子机理，不仅具有重大的理论意义，而且能为大幅度提高农作物光能利用效率，大幅度提高粮食作物的产量，对实现农作物可持续发展具有革命性的作用。从总体上讲，我国在光合作用传能和转能机理研究方面与国际该领域的发展趋势是一致的，具有良好的研究基础，有望进一步突破，挖掘光能高效吸收、传能和转能的潜力，并在农业中的应用。此外，植物光合膜上能量传递效率可高达94-98%，在反应中心能量转化的量子效率，几乎可达100 %。在常温常压下由可见光驱动可使水裂解产生电子、质子和氧气，这是当今科学技术在体外尚不能达到的。因此阐明其机理，不仅具有重大理论意义，而且能为提高作物和能源植物光能利用效率及开辟太阳能利用的新途径提供理论基础及新思想、新技术。

五、 提高作物光能利用效率的几种主要途径

(1) 改变关键酶核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)的结构。光合作用碳素同化过程中Rubisco是关键酶。它在催化固定CO₂的同时还催化加氧反应，使固定还原形成的有机物通过光呼吸重新变成CO₂释放回到空气中。由此造成的净光合效率损失高达20-50%。因此，Rubisco效率的改善对提高植物的光合作用效率有重要意义。改变关键酶Rubisco的结构, 增加其羧化/加氧的比值，提高作物的光合效率的研究为利用现代生物学技术改进作物品种提供了诱人的前景。

(2) 阐明叶片衰老的分子机制。作物籽粒的生长发育很大程度上决定于光合同化产物合成和输出同化物的能力以及籽粒库接纳光合同化物的能力，作物源库关系决定了光合同化物的分配方向。阐明作物源库关系及其调节机理，对进一步发挥籽粒的灌浆潜势，提高产量具有重要理论价值和实践意义。在农业生产上，叶片早衰则导致其过早丧失光合功能和同化作用，从而显著减少籽粒中干物质的积累，进而对作物的产量与品质带来非常不利的影响。在杂交水稻中普遍存在着由叶片早衰引起的籽粒充实度低，空秕率高的现象，制约了其高产潜力的进一步发挥。因此，阐明叶片衰老的分子机制，通过调控叶片的衰老进程来改善稻麦后期光合功能将是挖掘稻麦产量潜力的一条重要途径。

(3) 加强逆境对植物光合机构的损伤及其防御的分子机制的研究。当植物吸收的光能超过光合作用的利用能力时，将出现光能过剩。逆境条件如干旱、高温、低温等使植物的碳同化能力下降，造成激发能过剩，特别是强光与其他逆境同时存在时，激发能过剩将更加严重。因而，加强逆境对植物光合机构的损伤及其防御的分子机制的研究，有助于对植物光合作用调节机理的进一步认识，特别是为提高作物的光合效率提供重要的理论依据。

六、 运用高光效分子育种模块提升粮食产量

目前作物光能利用率很低，通过提高光能利用率来增加粮食产量还有很大的潜力。高光效分子模块育种综合考虑影响高光效的形态学、分子生理学以及环境等因素，从整体和群体水平提高作物的光能利用率，进而提高产量。通过筛选新型高光效基因群，创建高光效分子育种模块，包括株型、叶形，作物高效吸能、传能、转能、低光呼吸，碳代谢同化产物优化分配，逆境条件下作物高光效的环境适应等。

七、 几点建议

粮食安全已成为我国国民经济可持续发展的重要环节。光合作用是作物产量形成的物质基础，提高作物光能利用效率是提高作物产量的重要途径之一。由于光合作用研究在理论和实践上都具有重要意义，一直受到世界科技界及许多国家的高度重视。《国家中长期科学技术发展规划纲要(2006-2020)》面向国家重大战略需求的基础研究部分，明确提出了“光能高效利用的机理研究”，这在农业可持续发展中具有基础性、前瞻性和战略性的意义。

我国在光合作用机理研究方面具有良好的基础，取得过在国际上具有重要影响的成果，但在整体水平上与发达国家尚有差距，急需组织以国家重大科技专项任务的方式，进行战略部署。展望未来我们面临极大的挑战，也是极大的机遇。通过国家层面上的顶层设计，针对光合作用的关键科学问题和核心技术问题，瞄准国家战略目标，有望在理论和实践上都取得重大的突破，为国家粮食安全和科学水平的提升作出重大贡献。