来源 | Mol Plant
编辑 | 王一
近日，华南农业大学彭新湘课题组在Molecular Plant上发表题为“A Synthetic Photorespiratory Shortcut Enhances Photosynthesis to Boost Biomass and Grain Yield in Rice”的研究论文，利用合成生物学技术创制了水稻高光效新种质。
研究利用优化后的叶绿体信号肽（RC2）将水稻乙醇酸氧化酶（OsGLO1）、大肠杆菌过氧化氢酶（EcCAT）、乙醛酸聚醛酶（EcGCL）和羟基丙二酸半醛还原酶（EcTSR）四个酶导入水稻叶绿体中，使光呼吸产生的部分乙醇酸直接在叶绿体内代谢释放CO2，形成了类似C4植物的CO2浓缩机制。该途径的碳计量与植物光呼吸途径完全一致，因此亦可称为光呼吸捷径（以下简称GCGT捷径）。此捷径的引入显著提高了水稻的光合效率、生物量和产量。
光呼吸是植物绿色组织利用光能，吸收O2并释放CO2的过程，需要叶绿体、线粒体、过氧化物酶体和细胞质的共同参与，是C3植物中仅次于光合作用的第二大代谢流。正常环境条件下， C3植物的光呼吸可消耗掉光合产物的25-30%，在逆境条件下（高温、高光、干旱等）这种损耗会更加严重。2019年该课题组在水稻中成功报道一条光呼吸代谢支路GOC支路（点击查看：），显著提高了水稻的光合效率、生物量和产量。GOC支路的总反应是将2分子的乙醇酸全部转变成CO2释放于叶绿体。GCGT捷径是在水稻中成功创建的第二条光呼吸代谢支路，将2分子的乙醇酸转变成1分子的甘油酸和1分子的CO2，与内源光呼吸途径一样回收了3/4的碳（图1），因此从碳计量比较，GCGT捷径相对于GOC支路更具优势。此外，GCGT捷径产生的H2O2比GOC支路少了2/3。
图1 GCGT捷径与GOC支路设计示意图
注：红色为引入的支路；黑色为光呼吸代谢途径
彭新湘课题组成功在水稻中创建了两条光呼吸代谢支路，均显著提高了水稻的光合效率、生物量和产量，并证明该表型的出现主要是由于在叶绿体内形成了类似于C4植物的CO2浓缩机制。但两条支路均出现结实率降低的问题，限制了其增产潜力的最大化发挥。本文对此问题进行了初步探索，通过转录组、生理生化分析表明结实率的降低与碳水化合物的转运不畅有关。因此指出，尽管提高光合效率毋容置疑可提高生物量和产量，但要大幅度提高作物的籽粒产量还要充分考虑光合产物的转运效率。因此，GCGT捷径应用于马铃薯、甘薯、木薯等块茎类作物可能会有更好的提升产量的效果。
亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室博士研究生王丽敏（现为仲恺农业工程学院特聘副教授）和博士后沈博然为该论文的共同第一作者，彭新湘研究员为通讯作者。华南农业大学刘耀光院士团队提供了多基因表达载体。该研究由广东省基础与应用基础研究重大项目(2019B030302006)、国家自然科学基金项目提供资助(31770256)。
论文链接：
https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(20)30353-1
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