近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所作物高光效功能基因組創(chuàng)新團隊在光合合成生物學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重要突破。他們設(shè)計了一種新型的碳氮代謝與光呼吸耦合的旁路，從而提高了光呼吸過程中能量和碳氮的利用效率。這項研究為開發(fā)環(huán)保且高產(chǎn)的水稻品種提供了新思路。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《植物細(xì)胞（The Plant Cell）》上，題為Synthetic photorespiratory bypass improves rice productivity by enhancing photosynthesis and nitrogen uptake的研究論文。由于C4作物擁有二氧化碳濃縮機制，幾乎不發(fā)生光呼吸，而C3作物的光呼吸會導(dǎo)致約30%已固定碳的損失，導(dǎo)致其光合效率和產(chǎn)量低于C4作物。如何有效減少C3作物中的光呼吸以及由此引發(fā)的碳氮代謝失衡問題，是科學(xué)界面臨的一個重大挑戰(zhàn)。
研究人員采取了“自上而下”的理性設(shè)計方案，在水稻中成功構(gòu)建了兩種全新的碳氮代謝耦合光呼吸旁路。這些旁路能夠在不釋放二氧化碳的情況下于葉綠體內(nèi)高效運作。進一步的生理生化實驗顯示，引入這一旁路可以將葉綠體內(nèi)的乙醇酸轉(zhuǎn)化為草酰乙酸，進而促進氨基酸、能量及糖類的合成，并顯著提高水稻的光合作用效率和氮素利用率。田間試驗結(jié)果表明，在正常生長條件下，具有這種改良特性的水稻產(chǎn)量較野生型提高了19.0%，而在低氮環(huán)境下，增產(chǎn)幅度最高可達44.1%。該研究不僅揭示了光呼吸旁路調(diào)控碳氮代謝的新機制，還為培育高產(chǎn)、節(jié)省肥料且適應(yīng)性更強的水稻新品種提供了理論依據(jù)。
碳氮代謝耦合光呼吸旁路GCBG工程化圖
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所路鐵剛研究員和張治國研究員為本文通訊作者，生物所博士生陳國鑫等為論文第一作者。該研究得到國家重點研發(fā)計劃和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程等項目的資助。
