类型a

本文介绍的是Li Qiuxin、Ji Daili、Wang Xiushun与Chi Wei等人开展的一项原创研究。研究单位包括南京师范大学生命科学学院与中国科学院植物研究所光生物学重点实验室。该研究以题为“pale-green rice with enhanced photoprotection and yield potential via the inactivation of balance of chlorophyll metabolism”的简报形式发表于 Plant, Cell & Environment 期刊，2026年第49卷，页码6413–6416，数字出版日期为2026年。通讯作者为Wei Chi。研究团队通过CRISPR-Cas9技术失活水稻中的叶绿素代谢平衡蛋白BCM（Balance of Chlorophyll Metabolism）编码基因，观察到水稻叶片呈现淡绿色表型，同时在高光胁迫下表现出更强的光保护能力，并在田间试验中显示出产量潜力提升的趋势。

一、研究背景与目的

提高光合作用效率被认为是提升作物产量的重要策略。高等植物常常在捕光方面存在过度投资，产生过量的类囊体天线蛋白和叶绿素（chlorophyll，简称chl），这虽然有助于植物在竞争环境中遮蔽邻近个体，但在作物群体中可能导致冠层光分布不均和光能利用效率下降。因此，适度降低叶片叶绿素含量被认为可能改善密植作物冠层的光能利用。然而，叶绿素缺乏的大豆突变体田间研究显示叶片生物量和籽粒产量下降，说明该性状受基因途径、叶绿素降低程度、冠层结构和环境互作等复杂因素影响。

叶绿体在多个层面参与逆境响应，其中光系统II（Photosystem II，PSII）对高光胁迫最为敏感。提高PSII稳定性可增强耐光性，但在作物中实现这一点的遗传手段仍较少。BCM是一类类囊体相关支架蛋白，已知在拟南芥中通过与GUN4和SGR1互作调控叶绿素合成与降解，并参与叶绿体生物发生。与拟南芥具有两个BCM同源基因不同，水稻仅有一个BCM基因（Os03g0100030）。本研究旨在通过CRISPR-Cas9技术失活水稻OsBCM，探究其对水稻光合性能、高光耐受性和产量的影响，从而评估BCM是否可作为光合优化和作物改良的靶点。

二、研究流程与实验设计

研究首先构建了两个靶向第一外显子的CRISPR-Cas9水稻突变体。测序确认，osbcm-1含有一个14个核苷酸的插入和一个18个核苷酸的缺失，而osbcm-2则有一个24个核苷酸的缺失，两者均产生截短蛋白。osbcm-1中OsBCM转录本丰度显著低于野生型，暗示该插入还导致mRNA稳定性下降。由于缺乏特异性抗体，无法检测突变体中OsBCM蛋白积累情况，但通过表型和分子证据可确认基因功能受到破坏。

在表型与叶绿素含量分析环节，研究者比较了野生型和osbcm突变体在苗期、分蘖期和成熟期的表型及叶绿素含量。结果显示，osbcm在苗期叶绿素含量仅略低于野生型，但在分蘖期和成熟期呈现明显缺绿表型。这一阶段特异性叶绿素缺乏提示OsBCM与拟南芥BCM在叶绿素代谢调控方面功能相似。此外，预测的OsBCM三维结构与拟南芥BCM1大体重叠，为跨物种功能保守性提供了间接证据。

为了评估光敏感性，研究者将植株在液体培养基中培养至三叶期后移栽至土壤中继续培养4周，随后对完全展开叶进行高光处理，光强为1000 µmol m⁻² s⁻¹，持续4小时，再以20 µmol m⁻² s⁻¹低光恢复5小时。在光抑制与恢复过程中监测最大光系统II光化学效率（Fv/Fm）。结果表明，虽然野生型和osbcm在高光下Fv/Fm均逐渐下降，但野生型下降幅度显著大于osbcm，且osbcm叶片恢复更高效，说明OsBCM突变降低了水稻对高光的敏感性，同时未对生长造成明显影响。

在类囊体蛋白复合物完整性分析中，研究者采用蓝色非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳（BN-PAGE）分离β-DDM溶解的类囊体膜蛋白。在正常光照条件下，野生型和osbcm的类囊体蛋白复合物积累模式无显著差异，可分辨出光系统I-NDH、光系统II-LHCII超复合物、光系统I、二聚体和单体光系统II、ATP合酶、细胞色素b6f以及LHCII组装体等。高光处理后，两种基因型的多个复合物积累量均下降，但osbcm中的下降幅度明显减缓，尤其以光系统II-LHCII超复合物最为突出。随后的二维银染进一步确认，高光处理后的osbcm突变体中光系统II-LHCII超复合物丰度显著更高，表明OsBCM突变可增强高光胁迫下光系统II-LHCII超复合物的稳定性。

在光系统亚基积累分析中，正常条件下除LHCII略有减少外，突变体无显著变化。高光条件下，osbcm植株中光系统II亚基的积累量略有增加，而光系统I亚基PsaA在同一条件下显著减少。这种光系统I与光系统II亚基的差异性响应，排除了高光耐受性提高完全来自叶绿素损失对光系统功能一般性影响的可能性，而指向OsBCM在高光下维持光系统II方面的直接作用。已有研究表明拟南芥BCM可直接结合CP29和CP24，在热胁迫下影响光系统II稳定性，因此OsBCM可能通过类似机制直接调控光系统II稳定性。同时，叶绿素含量降低可能通过减少光吸收而降低表观光抑制。

田间试验在北京水稻田进行，从5月至10月覆盖完整水稻生长季。osbcm植株的单株产量平均增加约10%，产量提高与种子尺寸显著增大和千粒重增加相对应。田间种植采用行距约30厘米、株距约15厘米、每穴一株的方式，每行8株，共15行。水分和肥料管理标准化。农艺性状分析连续两年进行，观察到相似趋势。尽管试验规模有限，但提示通过调控叶绿素代谢和/或高光耐受性，OsBCM操作在水稻生产中具有提高生产力的潜力。

三、主要研究结果

首先，失活OsBCM导致水稻在分蘖期和成熟期出现淡绿色表型和叶绿素缺乏，但苗期叶绿素含量仅轻微降低。这一发育阶段特异性叶绿素调控特点，可能有助于在苗期保持光合生长，同时在群体郁闭程度较高的分蘖和成熟阶段降低叶绿素含量以改善冠层光穿透。

其次，高光胁迫下osbcm突变体Fv/fm下降幅度显著小于野生型，且恢复更快。这与光系统II-LHCII超复合物在高光下积累量更高以及光系统II亚基维持更好相关。相比之下，光系统I亚基PsaA在高光下显著减少，说明OsBCM对光系统II具有较特异的保护作用，而非简单削弱整体光系统功能。

第三，田间试验中osbcm植株单株产量平均增加约10%，千粒重和种子尺寸显著增加。这为通过改造BCM模块同时改善光保护与产量潜力提供了初步证据。

四、结论与价值

该研究证明，通过CRISPR-Cas9失活水稻OsBCM，可以同时增强水稻高光耐受性和光合效率。OsBCM突变体在苗期保持叶绿素含量，有利于早期光合生长，而在分蘖和成熟期降低叶绿素含量，可能改善密植群体的冠层光分布。高光胁迫下，osbcm的光系统II-LHCII超复合物更稳定，光抑制程度更低，恢复更快。田间试验显示单株产量和千粒重增加。这些结果将OsBCM定位为优化光合作用和提高水稻生产力的理想靶点。

然而，研究也指出，osbcm植株的冠层光分布和叶片或冠层尺度光合作用尚未直接测定，因此BCM突变改善冠层光能利用效率的假说仍需进一步田间实验验证。此外，叶绿素降低程度与个体光合效率之间的平衡仍是应用叶绿素减少策略的关键限制因素。本文认为，成功实施该策略需要在冠层光捕获与单株光合效率之间取得平衡，而OsBCM突变的发育阶段特异性调控可能有助于实现这种平衡。

五、研究亮点

本研究的突出价值在于将叶绿素代谢调控与光系统II稳定性联系起来，发现BCM不仅影响叶绿素含量，还可能直接参与高光胁迫下光系统II-LHCII超复合物的维持。与以往仅关注叶绿素含量降低的策略不同，该研究揭示了BCM失活可通过双重机制改善光合性能，即苗期保留叶绿素以支持生长，而在高光或群体郁闭阶段增强光系统II保护。此外，田间产量性状的初步改善为未来通过BCM模块进行分子设计育种提供了实验依据。该研究在方法上结合了基因编辑、光抑制动力学、BN-PAGE和二维电泳等手段，较系统地解析了突变体的光合表型。