近日，中國(guó)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(tuán)隊(duì)在光合合成生物學(xué)領(lǐng)域取得重要突破。該團(tuán)隊(duì)通過合成全新碳氮代謝耦合光呼吸旁路，實(shí)現(xiàn)了光呼吸過程的能量和碳氮的高效利用，為培育綠色、高產(chǎn)水稻開辟了新路徑。相關(guān)研究成果發(fā)表在《植物細(xì)胞》（ The Plant Cell ）上。
水稻實(shí)驗(yàn)田。中國(guó)農(nóng)科院生物技術(shù)所供圖
碳三（C3）作物是指二氧化碳同化的最初產(chǎn)物是光合碳循環(huán)中的三碳化合物——3—磷酸甘油酸的植物，其光呼吸會(huì)造成約30%已固定碳的損耗。而碳四（C4）作物在二氧化碳同化時(shí)的最初產(chǎn)物是四碳化合物——蘋果酸或天門冬氨酸。C3作物的光合效率和產(chǎn)量都明顯低于C4作物。水稻、小麥、大豆等都是C3作物，如何降低C3作物的光呼吸，同時(shí)避免由此帶來(lái)的碳氮代謝失衡問題，一直是科學(xué)界亟待攻克的難題，也對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。
該研究采用“自上而下”的理性設(shè)計(jì)模式，在水稻中合成出兩種全新的碳氮代謝耦合光呼吸旁路。該旁路能夠在不釋放二氧化碳的情況下，讓葉綠體內(nèi)的乙醇酸代謝產(chǎn)生草酰乙酸，從而促進(jìn)氨基酸、能量和糖類的合成，顯著提高水稻的光合效率和氮素利用效率。
田間實(shí)驗(yàn)表明，具有碳氮代謝耦合光呼吸旁路的水稻在正常生長(zhǎng)條件下，產(chǎn)量比對(duì)照水稻提高19.0%，低氮條件下比對(duì)照水稻最高提高44.1%。這一研究不僅揭示了光呼吸旁路調(diào)控碳氮代謝的新機(jī)制，還為培育高產(chǎn)量、節(jié)肥、適應(yīng)性強(qiáng)的水稻新品種提供了科學(xué)依據(jù)。
該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程等項(xiàng)目的資助。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1093/plcell/koaf015
