光合作用被称为地球上最重要的生物化学反应，是生物圈碳固定的驱动力，也是我国双碳战略（即碳达峰与碳中和）关注的焦点。光合碳固定与磷等其他元素存在密切的关系，而磷是生物体内重要的组成元素之一。磷矿是不可再生资源，近年来开采成本不断升高，而农用磷肥价格不断上涨。植物对磷的利用效率不及豆科类氮的利用效率，使得农田施用的磷流向水体导致富营养化已成为公害，对水生态系统带来了巨大破坏。因此，培育碳磷协同高效作物优异新品种不仅将极大促进作物生产，保障国家的粮食安全，而且也将对环境污染减少具有重要意义。国际上有很多高光效和磷高效的研究报道，但碳磷高效耦合的分子机制研究相对较少。这主要由于：1）难以找到一个高通量和准确的表征方式/核心性状；2）更难以高遗传力的生理学指标来挖掘到相关主效基因；3）缺乏具有遗传多样性丰富，且群体数量适当的自然群体。
2024年3月19日，我院曲明南教授课题组在Plant Communications在线发表了题为“GWAS unravels acid phosphatase ACP2 as a photosynthesis regulator under phosphate starvation condition through modulating serine metabolism in rice”的文章，利用206份来自全球96个国家收集的微核心水稻种质群体，通过全基因组关联（GWAS）分析，挖掘到一个耐低磷的碳高效主效基因，酸性磷酸酶ACP2，揭示其在低磷条件下通过调控丝氨酸和光呼吸的耦联，进而影响光合作用与磷利用（光合-磷利用效率，PPUE）协同的分子机制。
在该研究中，曲明南研究团队利用高通量表型组学和机器学习算法，通过2年田间低磷评估，发现PPUE可以很好的解释光合碳和磷利用的协同耦合效应，是一个指征水稻光合低磷响应的关键参数。在此基础上，他们通过GWAS鉴定到一个控制水稻PPUE的主效基因，编码一个酸性磷酸化酶ACP2。ACP2可催化磷酸乙醇胺和磷酸丝氨酸等磷脂类和能量供给类磷酸代谢物等，其中，磷酸丝氨酸去磷酸化后的产物，丝氨酸，是植物光合作用光呼吸途径中的重要中间代谢物，因此，ACP2可通过调节丝氨酸的含量来调控光呼吸，从而完成水稻的磷利用和光合作用有效耦合。
本研究通过靶向基因位点编辑等技术，分析了ACP2敲除和过表达水稻株系的PPUE, 发现过表达ACP2的水稻在正常条件下不减产，但在低磷条件下水稻PPUE增加60%以上，产量增加20%，具有广阔的应用前景。因此ACP2的相关研究不仅对于阐释水稻碳磷利用效率耦合机制具有重要的科学意义，而且对于我国的减磷增效农作物的培育具有重要应用价值；在此基础上，也将对我国的水体磷富营养化的防治具有借鉴意义。
刘骕孀博士为本论文第一作者，中国农科院深圳基因组所徐展副研究员，博士后Jemaa Essemine为共同第一作者，我院曲明南教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委项目、海南省崖州湾科技城等项目资助。
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