摘要：光合作用是最早被人类研究的植物生命过程。1771年,普里斯特利通过实验发现,当植物和小鼠共同置于光下的密闭容器中时,小鼠可以维持长时间的生存。这是人类利用实验方法正式研究光合作用的开始。此后人们研究发现,植物叶片利用光能将吸收的CO_(2)及水分合成碳水化合物,并释放氧气。光合作用的研究从20世纪中期进入快车道。通过同位素追踪实验,美国伯克利的卡尔文实验室解析了光合CO_(2)同化的代谢路径[1],其中涉及的关键代谢酶也逐次被发现。在光合作用的光反应研究中,重大突破来源于对量子效率的研究。美国伊利诺伊大学的艾默生等发现,在长波红光(680 nm)的基础上再加一个波长较短的光(660 nm)时,光合作用的量子效率会提高[2]。这个双光增益效应意味着在光合作用中有两个光系统,分别具有不同的光吸收特性,协同推动光合作用运行[3]。

摘要：当前作物的冠层光合效率仅仅是理论冠层光能利用效率的30%甚至更低,提高冠层光能利用效率是未来高光效改良的关键。由于冠层内部光环境和叶片生理状态的巨大差异,三维冠层光合模型是解析控制冠层光合效率的关键因子的重要理论手段。通过光合系统生物学手段,目前一系列提高光线、CO_2供给及改良光合器官效率的手段已经得以明确。在不同作物中,确立改良冠层光合效率的有效途径、建立实现高光效的有效分子模块及其组合方式、建立分子改造的分子工具包及设计工具是当前冠层光合效率研究的核心内容。

摘要：合成生物学是一门包括生物学、数学、物理学、化学、工程及信息科学等多学科交叉的前沿学科。历经多年发展,目前在细菌、酵母等微生物和哺乳动物细胞底盘中已初步形成了完备的定量化研究体系,然而植物合成生物学依然处于起步阶段。植物合成生物学可在挖掘植物次生代谢天然产物、生产分子农业制品、提升光合作用光能利用效率、创制碳汇植物和建立植物工厂系统等方面发挥作用。特别是在当前面向碳达峰与碳中和过程中,植物合成生物学可以参与解决人类活动所面临的粮食短缺、能源危机及环境污染等问题。不同植物底盘中也在逐步建成和完善标准化的元件体系、基因线路设计以及定向进化等合成生物学技术。本文回顾了近年来植物合成生物学的主要研究进展,详述了植物合成生物学在“双碳”目标中的应用领域,包含植物天然产物合成与次生代谢、分子农业、光合作用、碳汇植物的创制、植物工厂等。提出了植物基因文件标准化、植物基因线路设计、植物基因编辑和定向进化等助力“双碳”目标的植物合成生物学技术,并展望和探讨了在实现“双碳”目标过程中植物合成生物学的重要作用和发展前景。

摘要：当前,各类组学技术、基因组编辑技术及超性能计算能力的飞速发展正使得植物科学从描述性、定性研究向精细定量研究乃至理性设计的转变。在这个过程中,数字植物的研究应运而生。数字植物通过对植物生长发育过程多尺度、多生理生化现象的系统定量模拟,以实现植物整个生命周期的“数字化”。数字植物将为定量植物科学研究、植物设计及改造提供理论工具。数字植物的发展将支持新代谢通路、基因调控网络的设计,乃至植物理想基因系统的设计,从而为以提升作物产量和优化作物品质为目标的植物合成生物学提供设计工具。本文在分析当前构建数字植物遇到的瓶颈的基础上,提出发展数字植物所需要的关键措施,即:构建植物生长发育基本模型;获得同化物在各器官间分配的代谢数据;创建模块模型耦联方法;建立数字植物研究公共平台;发展表型数据与机理模型相结合的方法;以水稻为模式植物,开展数字植物指导的分子设计育种;建立支持数字植物的人才培养及储备策略。利用数字植物定量模拟和设计植物是未来植物合成生物学发展的趋势,数字植物指导下的作物栽培和育种也是精准农业和智慧农业的必然要求。