矿物增强生物光合作用理论与应用研究取得新突破

Mineral-enhanced biological photosynthesis: New breakthroughs in theory and application

摘要

光合作用是决定农作物产量的首要关键因素,当前农作物的光合作用效率对日光能的利用率仅为2%左右,影响粮食蔬菜等作物产量。《地学前缘》面向世界科技前沿,面向经济主战场,跟踪我们系列科研成果近三十年。近年来,围绕矿物增强生物光合作用这一原创性国际前沿科研成果,及其在解决农业增产提质这一国际难题的突破性应用成果开展了连续报道。我们最近研究进一步证实植物叶绿体中锰簇物质(Mn4Ca O5)与地表矿物膜中水钠锰矿具有起源关系和成因联系,在光催化裂解水功能上具有异曲同工之处。矿物红外发射光谱特性能够影响水功能,促进光反应裂解水的作用。植物经典光合作用仅限于叶绿体中锰簇物质对可见光部分波段的吸收转化作用,叶绿体外的矿物非经典光合作用可拓展功能水对太阳光波谱利用范围,即通过改变灌溉水功能实现对太阳能利用效率的提升,开拓了提高植物光合作用效率的崭新途径。据此提出“矿物水光合作用”国际原创技术,田间试验农作物普遍增产达20%～50%,显著提升多种农作物产量和品质。这是自然界矿物通过影响水功能以促进生物光合作用的创新案例。

关键词

矿物非经典光合作用 / 矿物膜中锰簇 / 叶绿体中锰簇 / 灌溉功能水 / 光合作用效率

Key words

non-classical mineral photosynthesis / manganese clusters in mineral membrane / manganese clusters in chloroplasts / functional irrigation water / photosynthetic efficiency

2024年12月26日,新华网和中国高校科技期刊研究会公布了2024年科技期刊服务高质量创新发展典型案例名单,《地学前缘》申报的《矿物增强生物光合作用的颠覆性科研成果促进农业新质生产力取得国际重大原创成果》成功入选“重要引领性创新成果”类典型案例。据悉经过专家评审,从360个申报案例中选出了八大类共60个典型案例。《地学前缘》面向世界科技前沿,面向经济主战场,跟踪我们系列科研成果近三十年。近年来,期刊围绕矿物增强生物光合作用这一原创性国际前沿科研成果,及其在解决农业增产提质这一国际难题的突破性应用成果开展了连续报道。

地球生物受太阳光辐射作用的影响,进化出结构精致的生物光合作用系统。光合作用是农作物产量形成的基础,90% 以上的干物质来源于光合作用,然而目前主要农作物自然生产条件下的太阳光能利用率不超过2%,极大地影响了全球农作物生长效率与人类所需粮食蔬菜的供给。因此,通过提高植物光合作用效率以提高农作物产量,可从根源上提升粮食单产且增产潜力巨大。

我们创新性提出太阳光不仅作用于地表生物发生光合作用,也一直作用于地表矿物发生非经典的矿物光合作用^[1-2]。曾发现地表普遍发育的含铁锰钛氧化物矿物膜转化太阳能新机制,显示出优异的光电效应,提出矿物光电子是地表第三种能量形式的学说,开辟了矿物光电效应与矿物光电子能量研究新领域^[3⇓-5]。在矿物光电子能量促进非光合微生物生长代谢作用^[6]以及发展半人工光合作用创新体系研究基础上^[7],提出植物叶绿体内PSII中锰簇Mn₄CaO₅物质^[8]与地表矿物膜中水钠锰矿具有起源关系和成因联系^[9]。最近研究进一步证实植物叶绿体中吸收太阳光裂解水产氧中心锰簇物质,类似于地表矿物膜中水钠锰矿纳米团簇物质的新认识。特别在化学成分、晶体结构和光催化裂解水功能上,有机界叶绿体与无机界矿物膜具有异曲同工之处(图1)。

我们近期研究表明,作物光合作用效率首先取决于叶绿体PSII中锰簇物质吸收太阳能后对灌溉水的裂解程度。可是,水分子光催化裂解作用与水分子复杂的物理化学性质极为相关。长期以来农作物灌溉用水,主要关注水资源高效利用、灌溉水质量及其灌溉效率等问题,目前尚未探讨灌溉水功能尤其与作物叶绿体中锰簇物质光催化作用关系,制约了灌溉水功能影响叶绿体锰簇物质光裂解水程度乃至光合作用效率这一创新研究领域发展。

我们在国际上率先开展矿物红外发射光谱研究,发现矿物红外发射光谱特性影响水的化学性质,促进光反应裂解水的作用。实验证实矿物受太阳光辐射作用产生的中远红外线,可削弱极性水分子中氢键强度,促进了水分子易于裂解的产氧产氢作用。此外,植物经典光合作用仅限于叶绿体中锰簇物质对可见光部分波段的吸收转化作用。我们利用某些天然矿物优异的光电效应与植物经典光合作用相结合,发掘太阳光全波谱与半导体矿物协同作用以调控水分子性质,结果在植物叶绿体外就借助矿物从可见光到红外光的长波段范围利用太阳能,拓展功能水对太阳光波谱利用范围。总体上提升了植物叶绿体中功能水日光分解程度,即通过改变灌溉水功能来实现对太阳能利用效率,开拓了提高植物光合作用效率的崭新途径(图2)。

据此,我们创新提出“矿物-水-光合作用”技术^[10]。该技术原理是基于某些天然矿物具有优异的红外发射光谱特性,与极性水分子发生协同作用可削弱水的氢键强度,从而大幅度提高水的光分解程度,达到提高植物光合作用效率的效果,体现矿物具有促进生物光合作用的功能,并已获得三项发明专利成果。深刻揭示了地球系统中太阳光-矿物-水-生物之间耦合作用体系,充分体现了自然界矿物在太阳光-水-生物内在作用机制中所发挥的不可或缺的巨大功能。这是自然界矿物光电效应通过影响水的氢键性能以促进生物光合作用的创新案例,实现了矿物增强植物光合作用的理论突破,这一国际原创技术为人类发展高效农业与生态农业提供了科学依据与技术支撑。

我们目前利用该技术已在四川、河南、内蒙古、山东和广西等地完成水稻、小麦、玉米、花生、甘薯和甘蔗等作物大田试验研究,经农业研究机构或农业专家现场测产,普遍增产达20%~50%(其中甘薯亩产量翻倍)(表1),还能提升植物组织内P、K、Ca和Mg等元素和抗氧化类物质的含量,取得了大幅增产又提质的试验效果。在针对水稻灌浆期的试验中,灌溉5次功能水可使品种川优617增产高达33.04%;在小麦灌浆期试验中,灌溉2次功能水可使品种西宛151增产达24.74%;在甘蔗种植试验中,使用功能水种植可使多个甘蔗品种亩产接近8吨,含糖量最高可增加2%。试验结果显示在相同的农业田间管理条件下,在作物全生育期或需水关键期使用功能水灌溉,能够显著提升作物产量和品质,具有农作物大规模增产提质的巨大应用前景。

参考文献

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基金资助

国家重点基础研究发展计划“973”项目(2007CB815600)

国家重点基础研究发展计划“973”项目(2014CB846000)

国家自然科学基金重点项目(41230103)

重点国际(地区)合作与交流项目(41820104003)