为何植物会“光合午休”？这道困扰了人们百余年的难题，如今终于被解开。中国科学院遗传与发育生物学研究所联合国内外多家单位，近日在国际学术期刊《细胞》上发表了原创性研究成果：在海南、北京、吉林和黑龙江等地大田试验发现，上调亚甲蓝敏感1（MBS1）蛋白的表达后，水稻抵御田间强光逆境的能力显著增强，实现了稳产增产。中国科学院西南生物多样性中心博士刘耀文介绍，这一成果打破了现代农业“抗逆必减产”的魔咒，为粮食安全撑起了一把“分子遮阳伞”。

正午阳光下的水稻

植物为何在光合作用最盛时“犯困”

光合作用就是植物“吃饭”的过程：利用太阳能，把二氧化碳和水转化成自身需要的“口粮”。一天之中，中午的阳光最强，按理说应该是光合作用最旺盛的时候，可奇怪的是，植物偏偏在这个时候“犯困”，出现净光合速率下降的现象，也就是俗称的“光合午休”，导致植物无法高效率地进行光合作用。据粗略估算，全球每年因此损失的粮食，足够养活好几亿人。

为什么会出现“光合午休”？科学家开启了一场长达百年的“破案”行动。最开始，科学家把目光投向了植物进行光合作用的关键部位——叶片的气孔上。正午高温干燥，植物为了保水会关闭气孔，但二氧化碳也进不来了，缺少了这个关键原料，光合作用自然就停工了。于是，农作物的产量受到了很大影响。

随着研究的推进，研究人员认为，“光合午休”是多重因素共同造成的，既有气孔关闭导致的二氧化碳供应减少，也有过强光照对光系统产生的压力和损伤，还有高温下植物的关键酶活性和代谢过程效率下降。

因此，在过去很长一段时间，科学家一直致力于改良品种让作物“抗热”，但结果往往是“抗热了就不高产，高产了就不抗热”，治标不治本。在全球变暖的大背景下，主要粮食作物的产量受到严重威胁，解决“光合午休”势在必行。这一次，中国科学家在叶绿体表面，找到了解开这道百年谜题的钥匙。

中国科学家给叶绿体涂上智能“防晒霜”

植物细胞叶绿体示意图

植物通过叶绿体捕获阳光，并把光能转化为化学能，这是光合作用的基础。但叶绿体并不是一台可以无限吞噬光线的机器。当正午阳光过于强烈，超出了叶绿体处理能力的上限时，多余的光线能量就会在细胞里乱窜，生成单线态氧。它极具破坏性，在叶绿体内部进行无差别攻击。所以，植物怕的不只是高温，更怕强光带来的光毒性——这就好比相机传感器进了超强光线被“烧屏”。植物的光合系统一旦被“晒伤”，麻烦就大了。

中国科学院遗传与发育生物学研究所联合国内外多家单位在《细胞》期刊上发表的最新研究揭示，在叶绿体表面，藏着一种天然的基于蛋白凝聚体的“防晒”机制，而开启这套机制的关键是亚甲蓝敏感1（MBS1）蛋白。这个蛋白是专门用来对付单线态氧的“卫士”。

当光照变得强烈时，亚甲蓝敏感1蛋白会收到“警报”，迅速在叶绿体外膜附近集结。这层凝聚体薄如蝉翼，却功能强大，就像是一层“分子防晒霜”，能把过剩的强光散射掉，从源头上削减过剩光能，防止光合系统“烧屏”。有意思的是，这层“分子防晒霜”还是智能的：光线强时自动“涂抹”形成保护层，光线弱时又自动“卸妆”解散，让叶绿体恢复正常的光合作用。

“抗逆必减产”的魔咒被打破

这次研究不只是应对强光逆境的机制突破，更是在应用上解决了困扰农业界的百年痛点——抗逆与高产的矛盾，实现了育种逻辑的重构。

育种专家总面临一个尴尬的选择题：想让作物皮实、不怕热，抗逆性能强，必然会导致减产；想要高产，作物就变得“娇生惯养”，稍微热点儿就蔫了。因为植物的能量和资源是有限的。它既要用于长叶、分蘖、灌浆和籽粒形成，又要用于保护、修复、信号转导和代谢调整，无论增强哪一个，都会导致其他的性能被迫牺牲，结果我们必须在“够强的抗逆”和“不能明显减产”之间不断做平衡。

但亚甲蓝敏感1蛋白的出现，彻底改变了这个逻辑。它不需要植物时刻准备“打仗”，只需要在强光来袭时，临时“撑把伞”。这种“防晒”策略成本低、见效快，防患于未然。

既然亚甲蓝敏感1蛋白对于植物的光损伤具有保护作用，那么能否提高其表达来增加植物对光损伤的抵御，从而提高产量呢？科学家在海南、北京、吉林、黑龙江等不同气候条件的试验田里，连续多年进行了大规模验证。结果令人振奋：与对照品种“稻花香”相比，亚甲蓝敏感1蛋白增强表达的水稻，在气候相对温和的吉林等地，增产约10%-15%；在光热条件中等的北京等地，增产达20%-30%；而在强光高热的海南，增产幅度高达40%，相当于多种了近一半的地。

如果说袁隆平院士解决了水稻“吃得饱”（高产）的问题，让水稻穗大粒重，那么遗传与发育生物学研究所团队就解决了水稻“站得稳”（抗逆）的问题，让水稻在烈日下依然挺得住。这是中国育种史上一次智慧的接力。

广泛应用将引发全球农业生产革命

从1910年国际植物学界发现植物的“光合午休”现象，到今天中国科学家破解亚甲蓝敏感1蛋白机制，这场跨越百年的科学探索，更是一场对粮食安全的“保卫战”。

中国科学家首次揭示了亚甲蓝敏感1蛋白液-液相分离介导的前置光保护机制，填补了国际上植物单线态氧感知与前置光保护领域的理论空白，为培育气候适配、高光高产的新型作物种质提供了全新靶点与育种路径。这是我国在基础生命科学领域的又一重大突破，标志着我国在作物高光效育种领域，从“跟跑”变成了“领跑”。

更重要的是，这项技术有着广泛的应用前景。亚甲蓝敏感1蛋白这把“分子遮阳伞”，并不是水稻专属，它在大豆、油菜、玉米等多种作物中都存在。如果能通过育种手段，把这些作物的亚甲蓝敏感1蛋白功能也强化起来，那将引发一场农业生产的革命。未来，通过提高光合效率，农业有望从碳源逐步转向碳中性，甚至在农田生态系统中贡献“负碳”效益，为减缓全球变暖贡献力量。

供图：视觉中国