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1、从植物生理学谈光合作用与农业生产和粮食安全植物生理学光合作用 高荣孚，原国务院参事，北京林业高校生物科学与技术学院植物生理学教授、博士生导师，浙江农林高校特聘教授，享受国务院特别津贴。在植物生理生态方面，领先运用国产元件组装仪器，用空气动力学方法探讨森林光合作用。他先后主持完成了稳态气孔计、光合有效光量仪、叶绿素荧光仪、光声光谱仪等仪器的研制，并荣获11017年林业部科技进步三等奖。这些仪器不仅满意了科研须要，也为我国光合探讨进入国际前沿探讨作出了肯定贡献。粮食平安关系到人类生产和生活的方方面面，人类21世纪面临的尖锐问题之一就是食物问题。人们吃的食物都是植物光合作用的干脆或间接产物，所以光合
2、作用对农业生产和粮食平安有着重要的意义。如今人们经常谈农业生产要“高光效”，而只有了解植物生理学特性，才能对症下药从根本上达到“高光效”，因此从植物生理学角度把握光合作用与农业生产、粮食平安之间的关系显得特别有必要。植物生理学是探讨植物生命活动和规律的学科，也是科学、合理经营农业生产的基础。栽培植物为什么要浇水、施肥？干旱、水涝和盐碱为什么会减产？这些都是植物生理学探讨的内容。而光合作用是植物特有的生物学过程，也是作物产量形成的物质基础，没有光合作用就不行能有人类社会的产生和发展。俗话说“万物生长靠太阳”，通过光合作用，植物才能把光能转变成生物能，把二氧化碳和水转变成所需的各种有机物。自从人类
3、DNA序列被确定，水稻以及被称为植物果蝇的拟南芥等植物的DNA序列也逐步被测定，人类起先进入基因组学时期。在后基因时代，随着探讨的深化，渐渐出现了探讨RNA的转录组学、蛋白质组学、代谢产物组学和离子组学以及将这些学科结合起来的系统生物学和生物信息学，大大丰富了基因组学的探讨内容，分子生物学的出现也大大推动了植物生理学的探讨，而进入新的发展时期的植物生理生化也将促进分子生物学发展。进入21世纪以来，我国重视和发呈现代农业，科学技术的迅猛发展，孕育了科技发展的新阶段，在给农业生产带来机遇的同时，也给我们提出了新的挑战。我国以全球7%的耕地面积养活了全球20%以上的人口，不但解决了温饱问题，还使人们
4、的生活达到了小康水平。自从上世纪50年头初开展第一次绿色革命以来，全球的粮食产量大幅提高。主要得益于两个方面，一是矮杆化削减了不必要的茎杆，增加了粮食产量；二是实行密植栽种，增加了叶面积，提高了光能作用。但是现在这两种方法已经到了“终点”，再要有所提高很困难。从光合作用的角度来看，理论上植物光合作用的光能利用率应当能够达到汲取的12%，但事实上植物本身利用太阳能的效率很低，一般在3%以下，有的只有1.5%左右，而要提高光合效率又是一件特别困难的事情。人们在对小麦和水稻的光合探讨中发觉，就作物单位叶面积的光合速率而言，野生种大于优良栽植品种。作物靠增加叶面积和高光合速率的持续时间来提高作物产量，
5、这在小麦、水稻和杂交毛白杨的探讨中已经得到了证明。通常在粮食生产中，人们主要通过不断施肥，特殊是施氮肥来使作物保持高的叶光合速率，这是因为同化二氧化碳和蛋白质的合成都须要氮，只有不断供应氮才能有较高的效率。但众所周知，氮肥的利用效率很低，一般只有30%50%的利用率，也就是说有1/21/3的氮肥会流失，而这部分流失的氮肥会造成河流的面源污染，使湖泊、河流富养分化。虽然可以通过改进施肥技术来提高氮肥利用率，但选育有高光合速率和光合作用持续期长，且须要氮肥少的品种更为重要。我始终从事植物生理生化探讨，过去主要采纳生化方法做探讨，但这些方法大都具有破坏性，不能连续进行视察。所以长此以往，我对仪器探讨
6、产生了深厚爱好，也尝试着自己动手研发和组装一些小型仪器。在国际沟通活动中，我发觉国外许多出名的试验室，都不同程度上自己研制仪器，这样就能做一些别人没有做过的工作，创新的机会比较多。在我看来，光合作用的机理探讨要想出创新性的成果与新仪器和新方法有关，这一点从叶绿素荧光动力学探讨就能看出来。尽管1931年已经发觉了叶绿素荧光动力学，但当时没有发展，直到11010年左右，由于光合作用光能转化机理探讨的进展和技术上的进步，才使得叶绿素荧光动力学的理论从试验室走向田间。光电转化技术是非破坏性的方法，它可以连续测定同一片叶子的荧光改变，光电器件和集成电路的发展，使叶绿素荧光仪成为光合作用探讨的重要工具，更
7、主要的是它还可以推断叶子内部叶绿体中发生的改变。20世纪70年头最早商品化的仪器是简易的非调制荧光仪，由于器件速度限制其起始荧光F0（一种测试荧光的指标）测不准，后来出现的脉冲调制荧光仪成为主流仪器。但是，随着器件和数字化进展及光合探讨的须要，非调制荧光仪以新的形式出现，弥补了原来的不足，可以测准F0，还可以测瞬态荧光。我们从11015年起先探讨叶绿素荧光，研制荧光仪以及探究叶绿素荧光理论，并完成有关仪器研制及论文发表，近来还提出了后稳态叶绿素荧光仪动力学理论。但是现在的商品化仪器不能完全满意我们的要求，同时又缺乏国产化仪器，于是我与北京雅兴理仪科技有限公司合作，结合国际上现有两种类型仪器的特
8、点，研发了具有自己特色并兼有两种类型仪器优点的脉冲瞬态叶绿素荧光仪，可得到调制荧光仪和瞬态荧光仪的相关参数，适合后稳态诱导荧光的探讨，为探讨光合作用CO2同化和叶绿素荧光同时进行供应了探讨工具，现已完成样机和改进型研制。要充分探讨作物的光合作用特性须要一系列仪器，我们还研发了叶片和小群体光合速率自动连续长期测定的光合测定系统，目前还在不断进行完善。同时我们也研制了其他光合和植物生理生态探讨的仪器，为培育优良品种和农业产量供应了有效的工具。当然，光合作用与作物产量之间的关系是非常困难的，仍旧须要科技工作者接着进行系统地探讨，除了在理论上进行多学科交叉探讨外，在视察和探讨方法上也要不断改进，特殊是
9、要为农学等学科供应一些有效的技术，测定具有高光效率的新品种以及杂交时亲本光合特性的技术，帮助人们充分了解怎样才能使作物光合特性有利于产量提高，又能少浇水、少施肥。近年来，国家对农业科学探讨的投入不断增加，这就意味着须要大量的仪器来协助探讨。随着一些新技术的引入，仪器起先朝着虚拟化方向发展，除了必要的硬件系统外，目前大量的相关工作都能通过计算机模拟程序设计。仪器虚拟化发展给我国科技创新供应了很好的机遇，我们应当充分把握，推动我国植物生理生化仪器研制工作的创新发展。更为重要的是，为农业和粮食平安供应理论和技术基础的探讨，最须要多学科的团结协作，须要许多不同领域学者的共同投入，我希望可以看到更多同行和其他学科，尤其是年轻人能够加入这项事业的探讨。 第6页 共6页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页