近日，华中农大资源与环境学院作物养分管理团队在Trends in Plant Science发表综述论文“Nutrient limitations on photosynthesis: from individual to combinational stresses”，深入解析氮、磷、钾、镁等关键营养元素对植物光合作用的影响及调控机制，首次系统总结了多重营养限制下元素间的协同增效机制，为通过营养调控增强光合作用、促进作物产能提升提供新视角。
必需营养元素的特异性和共性调控网络
全球约60%的农田土壤存在一种或多种营养缺乏问题，科学施肥对作物产量的贡献超过50%。养分供应不足时，植物常表现出典型缺素症状，均会直接影响光合能力。论文总结了各营养元素对特定光合作用因子的调控效应，并结合量化模型评估其累积贡献。例如，缺镁不仅抑制Rubisco的活化，还减少了叶绿体数量，同时同化物的积累使叶片变得紧实，限制了底物CO2的吸收和利用，导致光合速率下降近30%。而缺磷则降低叶绿体内无机磷含量，致使大部分NADP+以还原态（NADPH）存在，并导致电子传递链过度还原，最终使光合速率降低达20%以上。尽管不同养分在光合作用中各司其职，但它们在平衡光能吸收与利用（通过增加热耗散调控过剩光能）和调节光合同化物运输及反馈（叶绿体淀粉积累影响卡尔文循环通量）等方面表现出共性调控模式，共同构成了一个特异与共性并存的调控网络。
图1 营养元素调控光合作用的特异性和共性机制
多重营养限制下营养元素的协同效应
在农田生产中，作物生长常同时受到多种养分缺乏的限制，当补充主要限制养分后，次要限制因子就会更替显现。论文分析了氮-磷、氮-钾、磷-钾、氮-镁等养分共同胁迫下，植物如何通过精细调节细胞能量、氧化还原状态和代谢途径，实现养分间的协同效应，从而增强植物光合能力。例如，氮磷协同促进细胞碳氮平衡，优化细胞资源分配和光合系统构建；磷钾配合则可提高无机磷循环利用和ATP合成效率，稳定电子传递并缓解光氧化胁迫。值得一提的是，华中农业大学作物养分管理团队十多年前在生产中发现水稻、油菜等作物在土壤多个养分同时缺乏时采用平衡施肥措施能显著增加作物产量，受此启发，团队在水稻-油菜轮作区建立了多组氮-磷、氮-钾、磷-钾及钾-镁互作的长期定位试验，近10年的田间定位试验研究为本文探讨营养元素协同调控作物生产力的内在机理提供了关键实证支撑，同时也为优化精准施肥策略积累了宝贵经验。
图2 营养元素协同调控光合作用的可能机制
该综述系统总结了团队近十年来在作物营养光合生理调控领域的研究进展，深化了对植物光合作用营养调控机制的理解，并提出未来应整合精准施肥策略、跨尺度生理模型和分子组学技术，系统解析光合作用中能量稳态、代谢通路与信号调控的多模块耦合机制。这将为全球农田在多重营养限制条件下实现养分协同增效、提升光合碳固定效率和作物产量提供理论依据和实践指导，助力全球粮食安全与生态环境改善。
资源与环境学院陆志峰副教授和任涛教授为论文共同第一作者，鲁剑巍教授和土耳其萨班哲大学Ismail Cakmak教授为共同通讯作者，植物科学技术学院李勇教授参与论文的撰写。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划项目和国际镁营养研究所的资助。
论文链接：
https://authors.elsevier.com/a/1kvmN4rGdjeCFO
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