合成生物学时代，改善光合作用和提高植物生产力的现状和前景

合成生物学作为21世纪生物科学中刚刚出现的一个分支学科，近年来关于其各方面的研究进展发展迅速。近日，巴西Universidade Federal de Viosa （UFV） 大学Wagner L Araújo课题组在Plant Communications上在线发表题为“Engineering Improved Photosynthesis in the Era of Synthetic Biology”的综述论文。本文总结了近几年合成生物学在光合作用中应用的研究进展，并进一步讨论了提高光合效率的新策略及其潜在的生物技术应用。

提高光合效率作为优化作物产量的一种策略，从而受到了广泛的关注。由于传统的植物育种已经达到平台期，因此需要借助新的工具和生物技术解决方案来加速提高光合效率。新兴的合成生物学在可预测方向上建立全新的途径方面拥有潜力，从而满足了21世纪全球对更高产量的要求。本文讨论了在合成生物学时代，为了优化利用太阳能和碳源来提高食物、纤维和燃料的生产，改良光合作用的最新进展和当前的挑战。

光合作用是植物生长和生物量生产的主要动力。文中指出，直到最近，人们普遍认为植物光合作用已经在进化过程中得到了优化，达到了最优，不能再进一步提高。提高作物产量的策略随着时间的推移而改变。由于传统的作物改良方法已经达到了瓶颈期，因此必须通过新的工具和技术解决办法来进一步提高作物产量。

本文概述了在合成生物学时代改善光合作用和植物生产力目前的状态和前景。根据一系列特征，如二氧化碳固定产生的第一个分子、光呼吸速率来区分，植物中至少存在三种光合作用，即C3、C4和景天酸代谢途径 (crassulacean acid metabolism CAM） 。大多数植物 (约85%) ，包括小麦 (Triticum aestivum) 、水稻 (Oryza sativa) 和大豆 (Glycine max) 等主要作物都具有C3型代谢。

图1 光反应和改进策略的潜在目标

陆生植物光合作用的光依赖反应由两种称为光系统I和光系统II (PSI和PSII) 的光化学复合物组成，它们在类囊体和片层膜中依次进行，并在空间上分离。考虑到光合作用光反应的复杂性和重要性，不仅需要一个高效和强大的设备，而且需要对不断变化的环境条件作出灵活的反应。为了提高光合装置处理能量流入的效率，从而减少光合作用过程中的能量损失，研究人员提出了几种方法。鉴于光合作用机制的高度整合性，从不同物种转移整个光合多蛋白复合物似乎比交换单个光合蛋白更有希望。最近的一些合成生物学研究试图将热合成蛋白插入到缺乏相关同源性的寄主物种中。

图2 将碳浓度机制(CCMs)引入C3植物的光合作用机制和策略

除了提高光合作用以获得更高的生物量外，人们还提出通过合成生物学来修改光合作用装置，使代谢能转向生产所需的化合物。除了通过P450催化生产高价值的化合物外，最近的合成生物学研究还利用光反应直接为酶提供动力，在许多不同的生物技术领域得到应用。在C3植物中引入CCMs是许多旨在提高光合作用的合成生物学策略的关键驱动因素。最近，Kubis和Bar-Even综述了将C4光合作用转化为C3植物的过程。

综上所述，提高光合作用作为一种优化作物产量以满足人类对食物和能源需求的方法受到了广泛的关注。一旦合成生物学打开全面利用的网络使得植物更加充分的应用太阳能和碳源，未来会告诉我们为构建全新的途径和作物可预测的所期望的方向，我们是否开发了合成生物学的潜力。因此，我们有了接受社会、经济和环境挑战的解决方案。

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2020.100032