近日，中国农业科学院生物技术研究所作物高光效功能基因组创新团队在水稻叶绿体中成功引入合成的丙醇二酰辅酶A代谢路径，首次在植物中实现光呼吸旁路额外固定二氧化碳，相关研究成果发表在《植物生物技术杂志》（Plant Biotechnology Journal）上。
导入全新光呼吸旁路后水稻籽粒产量提高。中国农科院供图
光呼吸作用是绿色植物在光照条件下吸收氧气并释放二氧化碳的代谢过程，碳3作物（如水稻、小麦等）的光呼吸会消耗30%~50%光合作用固定的碳，从而制约了作物的产量。尽管已有多种光呼吸旁路策略试图优化作物的碳利用效率，但仅能减少碳损失，在植物中尚无“碳正性”循环路径的应用实践，即除了卡尔文循环外还通过其它反应额外固定二氧化碳。
导入全新光呼吸旁路后水稻生物量提高。中国农科院供图
该科研团队利用来自细菌的3个酶，成功合成了一条全新光呼吸旁路。将其导入水稻后，在水稻叶绿体内可稳定表达，将乙醇酸转化为甘油酸。这一过程不仅减少能量消耗，还额外固定1分子二氧化碳，并可增强碳水化合物代谢和细胞分裂素合成，有效促进籽粒发育。
田间试验表明，引入光呼吸旁路的水稻生物量提升11.1%~17.2%，籽粒产量增加14.2%~20.2%。在高光、高二氧化碳条件下表现出更高的净光合速率和羧化效率，二氧化碳补偿点显著降低，明确具备“碳正性”效应。
该研究合成了一条全新光呼吸旁路，实现了光呼吸由“负”（碳消耗）到“正”（碳固定）的转变，提升了作物光合作用的潜力，为培育高光效高产水稻新材料提供了新路径。
该研究得到国家重点研发计划、中国农业科学院科技创新工程等项目的支持。
相关论文信息：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.70258
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