PNAS | 在植物中构建新的光呼吸旁路，或可提高光合效率和作物产量

责编 | 王一

随着全球粮食需求的增加，如何有效提高作物光合效率变得愈发重要。叶片光合作用是作物产量形成的基础，植物光合作用通过Rubisco酶将二氧化碳固定为3-磷酸甘油酸并进一步同化为植物生长发育所需的碳源。然而，在水稻、小麦和大豆等C3植物中，Rubisco酶会通过加氧反应形成有毒的2-磷酸乙醇酸，并需要光呼吸途径对其进行同化。光呼吸的存在会导致约30%的光合固碳损失，并伴随着氮的损失和能量耗散，这意味着如何降低C3植物中的光呼吸速率成为提高未来农业生产力的关键 【1】 。

合成生物学在改善植物光合作用中发挥着重要作用，通过合成生物学方法，科学家将乙醇酸作为光呼吸旁路的起始代谢物质，在植物中构建了光呼吸旁路，通过蓝细菌“甘油酸途径”或者叶绿体中的乙醇酸氧化，绕过了乙醇酸再循环为3-磷酸甘油酸的过程并促进了植物生长 【2】 。然而，这些构建的新路径仍会释放二氧化碳从而限制了其固碳效率。有意思的是，海洋蛋白细菌中存在另一种乙醇酸同化途径：β-羟基天冬氨酸循环 （BHAC） ，该途径首先将乙醇酸氧化为乙醛酸酯，然后经过四个酶促反应转化为C4化合物草酰乙酸 （OAA） ，值得一提的是，该过程不会损失碳氮，因此比自然光呼吸和之前报道的其他旁路途径更为有效 【3】 。但是该路径尚未在植物中进行工程化构建。

The BHAC as photorespiratory bypass in plant peroxisomes

近日，德国Heinrich Heine University 的Andreas P.M. Weber及其合作者开发了一种将光呼吸和C4代谢协同耦合的方案，成功将BHAC途径引入到拟南芥过氧化酶体中并改变了碳氮代谢，为农业生产力的提高提供了新的研究思路。该研究结果以A synthetic C4 shuttle via the β-hydroxyaspartate cycle in C3 plants为题发表在PNAS上。

在该研究中，研究人员首先将四种BHAC酶引入到野生型 （WT） 和高光呼吸表型 （ggt1-1） 拟南芥的过氧化物酶体中 （Col::BHAC株系） 。通过代谢分析，该研究发现WT和ggt1-1对照均未检测到BHA特异性片段，但是在Col::BHAC株系中检测到BHA。此外，两个Col::BHAC株系的甘氨酸水平降低了两倍，而天冬氨酸和苹果酸水平分别升高了6倍和2倍，这表明过氧化物酶体BHAC的确发挥了光呼吸旁路的作用。

进一步研究发现，Col::BHAC株系中的游离氨水平降低了20％，其积累的氨基酸更多去参与尿素循环 （谷氨酸和鸟氨酸） 或依赖于OAA衍生的碳骨架途径 （赖氨酸和蛋氨酸） ，从而抑制线粒体氨释放。就碳代谢而言，该研究发现Col::BHAC株系中出现丙酮酸和柠檬酸盐的积累，但是葡萄糖和果糖水平降低，表明BHAA途径产生的OAA经过丙酮酸激酶催化或茎秆三羧酸循环途径代谢。以上结果表明BHAC通过改变氮代谢 （氨基酸积累和游离氨的还原） 和OAA在细胞质和线粒体TCA循环中的利用来重塑植物代组。

此外，该研究发现，在正常CO 2 条件下，与WT相比，Col::BHAC株系的生长受到抑制，但是Col::BHAC不会影响高CO2条件下的植物生长。通过对磷酸化中间体的稳态水平监测发现，Col::BHAC株系中的3-磷酸甘油酸水平降低了，并且其光呼吸途径的3-磷酸甘油酸再生被显著抑制。而A/Ci曲线测定结果显示，Col::BHAC株系具有更高的CO2补偿点，但是饱和CO2下的最大同化效率显著降低，这表明Col::BHAC株系降低了正常CO2条件下的光合同化效率，从而影响了植物生长。

Schematic representation of plant photorespiration (PR), BHAC and potential routes for a synthetic C4 cycle between mesophyll (MS) and bundle sheath cells (BS).

综上所述，该研究成功将功能性BHAC引入植物体内，并将光呼吸旁路代谢物质转为C4循环的起点。该研究代表了C3植物中依赖于光呼吸的碳浓缩机制概念，并为进一步创造提高农作物生产力的方法提供了依据。

参考文献

【1】B. J. Walker, A. VanLoocke, C. J. Bernacchi, D. R. Ort, The costs of photorespiration to food production now and in the future. Annu. Rev. Plant Biol. 67, 107–129 (2016).

【2】P. F. South, A. P. Cavanagh, H. W. Liu, D. R. Ort, Synthetic glycolate metabolism pathways stimulate crop growth and productivity in the field. Science 363, eaat9077 (2019).

【3】L. Schada von Borzyskowski et al., Marine Proteobacteria metabolize glycolate via the β-hydroxyaspartate cycle. Nature 575, 500–504 (2019).

原文链接：

https://www.pnas.org/content/118/21/e2022307118