光是地球上最重要的环境因子之一，它不仅是植物光合作用的能量来源，也是植物生长发育的决定性信号。光合作用几乎为地球上所有的生命活动提供有机物、能量和氧气，是作物产量与生物质积累的物质基础。植物能感知其周围环境中光的波长、强度、周期和方向的动态变化，启动复杂的信号转导途径，时刻调整其生长发育进程，使其处于理想的生长发育状态。由于我国人口众多，但耕地资源十分有限，因此我国粮食总产的增加主要依赖于单位面积产量的提高。而植物光能利用效率的提高是作物单产提高的前提。实验室将重点研究光合作用和光信号转导的分子机理，为培育高光效率和高产作物新品种（系）提供理论依据。本方向的研究内容主要包括以下三部分：
(1) 光合基因的表达调控机理
高等植物的光合作用发生在半自主型细胞器的叶绿体中。叶绿体基因组虽小，仅包含100多个基因，但是光合机构的核心亚基均由叶绿体基因编码。研究表明，叶绿体关键基因的表达在转录、转录后修饰、翻译以及翻译后修饰等多个水平上受到核基因编码蛋白的精密调控，叶绿体也会反馈调控细胞核基因的表达。同时，光反应过程中的电子传递与二氧化碳同化是偶联的。随着现代分子生物学技术的发展，一系列调控光合作用效率功能的新基因已被迅速发掘出来，阐明这些重要调控因子的生物学功能与作用机理是提高植物光能利用效率的理论基础。实验室将重点发掘光合基因表达调控因子，并深入研究他们的作用机制，阐明光能高效利用的调控网络，并利用合成生物学等策略，尝试改良作物当家品种或者创制高光效种质资源。
(2) 光合机构的组装与结构解析
光合生物主要通过镶嵌在类囊体膜上的光系统I（PSI）、光系统II（PSII）、细胞色素b6f（Cyt b6f）、ATP合酶和NDH等蛋白复合物来实现对太阳能的吸收、传递和转化等一系列复杂的物理和化学过程。研究表明，每个光合机构都含有多个亚基、多种色素以及大量的辅因子，它们以特定的空间结构排列而生成有功能的蛋白复合体。然而，这些光合机构的组分本身并不能自发组装成有功能的复合物，需要大量生物发生因子的辅助才能完成复合物的组装与周转。已测序的上百种植物基因组为发掘参与光合机构生成与周转的重要因子创造了十分有利的条件。实验室将利用遗传学、生物化学以及生物信息学等多种策略，发掘介导光合机构组装与功能调节的重要因子，并阐明他们的作用机制。
黑暗条件下双子叶植物幼苗的下胚轴充分伸长、子叶呈勾状弯曲、子叶折叠不扩展、叶绿素和花色素苷没有积累。这样的植株形态有利于减少种子在土壤中发芽后出土过程中的阻力，以尽快见到太阳光进行光合作用，实现由异养到自养的转化。幼苗出土见光后，光信号抑制下胚轴的伸长、促进子叶的扩展、促进叶绿体的发育，以及叶绿素和花色素苷的积累。由光调控的植株形态形成的过程称为光形态建成。光形态建成是植物在早期发育阶段为光合作用奠定形态和结构基础的发育过程，从而实现从异养到自养的关键转换。研究表明，光信号调控植物光形态建成是由植物内在的、特异的光受体来介导的。调控植物生长发育的有效太阳光谱主要包括紫外光B区(350-400 nm)、蓝光区(400-500 nm)、红光区(600-700 nm)和远红光区(700-800 nm)。相对应地，在拟南芥中存在分别吸收这些光谱区的紫外光-B受体UVR8、蓝光受体隐花素CRY (cryptochrome)、红光／远红光受体光敏素PHY(phytochrome)。各种光受体协同调控光形态建成、开花时间、生物钟，以及气孔发育等重要生理过程。同时，现有的研究发现光信号与生长素、油菜素内酯(BR)和赤霉素等植物激素拮抗调控光形态建成，使植物能根据细胞内外信号的动态变化平衡各种生物学过程，从而增强对环境的适应性。实验室将利用生化和遗传等多种手段筛选新的光受体的互作蛋白，建立新的光信号转导途径；寻找光信号与植物激素信号互作的新的分子连接点，阐明信号整合互作的新机制；探索新的光信号调控的植物发育过程，并研究其调控的分子机理。这些研究成果将为利用光信号转导途径中的相关元件调控作物的形态建成、提高光能利用效率，以及控制作物生长发育进程奠定理论基础。