近日，中國農(nóng)業(yè)科學院生物技術(shù)研究所作物高光效功能基因組創(chuàng)新團隊在光合合成生物學領(lǐng)域取得重要突破。該團隊通過合成全新碳氮代謝耦合光呼吸旁路，實現(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《植物細胞》（ The Plant Cell ）上。
水稻實驗田。中國農(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，同時避免由此帶來的碳氮代謝失衡問題，一直是科學界亟待攻克的難題，也對農(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。
田間實驗表明，具有碳氮代謝耦合光呼吸旁路的水稻在正常生長條件下，產(chǎn)量比對照水稻提高19.0%，低氮條件下比對照水稻最高提高44.1%。這一研究不僅揭示了光呼吸旁路調(diào)控碳氮代謝的新機制，還為培育高產(chǎn)量、節(jié)肥、適應(yīng)性強的水稻新品種提供了科學依據(jù)。
該研究得到國家重點研發(fā)計劃和中國農(nóng)業(yè)科學院創(chuàng)新工程等項目的資助。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1093/plcell/koaf015
