近日，中國農業科學院生物技術研究所作物高光效功能基因組創新團隊在水稻葉綠體中成功引入合成的丙醇二酰輔酶A代謝路徑，首次在植物中實現光呼吸旁路額外固定二氧化碳，相關研究成果發表在《植物生物技術雜志》（Plant Biotechnology Journal）上。
導入全新光呼吸旁路后水稻籽粒產量提高。中國農科院供圖
光呼吸作用是綠色植物在光照條件下吸收氧氣并釋放二氧化碳的代謝過程，碳3作物（如水稻、小麥等）的光呼吸會消耗30%~50%光合作用固定的碳，從而制約了作物的產量。盡管已有多種光呼吸旁路策略試圖優化作物的碳利用效率，但僅能減少碳損失，在植物中尚無“碳正性”循環路徑的應用實踐，即除了卡爾文循環外還通過其它反應額外固定二氧化碳。
導入全新光呼吸旁路后水稻生物量提高。中國農科院供圖
該科研團隊利用來自細菌的3個酶，成功合成了一條全新光呼吸旁路。將其導入水稻后，在水稻葉綠體內可穩定表達，將乙醇酸轉化為甘油酸。這一過程不僅減少能量消耗，還額外固定1分子二氧化碳，并可增強碳水化合物代謝和細胞分裂素合成，有效促進籽粒發育。
田間試驗表明，引入光呼吸旁路的水稻生物量提升11.1%~17.2%，籽粒產量增加14.2%~20.2%。在高光、高二氧化碳條件下表現出更高的凈光合速率和羧化效率，二氧化碳補償點顯著降低，明確具備“碳正性”效應。
該研究合成了一條全新光呼吸旁路，實現了光呼吸由“負”（碳消耗）到“正”（碳固定）的轉變，提升了作物光合作用的潛力，為培育高光效高產水稻新材料提供了新路徑。
該研究得到國家重點研發計劃、中國農業科學院科技創新工程等項目的支持。
相關論文信息：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.70258
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