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光合合成生物學領域取得重要突破。該團隊通過合成全新碳氮代謝耦合光呼吸旁路，實現了光呼吸過程的能量和碳氮的高效利用，為培育綠色、高產水稻開辟了新路徑。相關研究成果發表在《植物細胞》（ The Plant Cell ）上。
水稻實驗田。中國農科院生物技術所供圖
碳三（C3）作物是指二氧化碳同化的最初產物是光合碳循環中的三碳化合物——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，也對農業生產具有重要意義。
該研究采用“自上而下”的理性設計模式，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，讓葉綠體內的乙醇酸代謝產生草酰乙酸，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控碳氮代謝的新機制，還為培育高產量、節肥、適應性強的水稻新品種提供了科學依據。
該研究得到國家重點研發計劃和中國農業科學院創新工程等項目的資助。
相關論文信息：https://doi.org/10.1093/plcell/koaf015
