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Photosynthesis

改进光合作用提升作物产量

生物工程纠正烟草中光合作用的缺陷,使作物产量增产40%

by Katherine Bourzac
January 3, 2019 | APPEARED IN VOLUME 97, ISSUE 1

从工程应学的角度看,光合作用是效率低下的。当植物使用酶捕获二氧化碳时,每五次就有一次错误地吸取了氧气,从而产生有毒乙醇酸而非碳水化合物砌块。这一缺陷被称为“光呼吸”。植物消耗大量宝贵的能量来补救这一缺陷。实际上,光呼吸致使农作物减产约20%至50%。

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Credit: 版权: Claire Benjamin/RIPE Project
科学家Amanda Cavanagh冷冻改良烟草以用于实验室分析。

现在,科研人员们展示了纠正这种光合作用的更优方法。经基因改造后的烟草可更有效地分解乙醇酸,田间试验显示作物产量因此提升40%。(Science 2018, DOI: 10.1126/science.aat9077)。如果该发现可以被应用于粮食作物,则农户就可利用较少的土地和肥料产出更多热量。

 “这证明光呼吸的方式可以从根本上被改变,从而显著提高作物收益——这是令人兴奋的,” 美国密歇根州立大学的植物生物学家Berkley Walker说(他未参与上述研究)。Berkley Walker所做的模拟工作显示,假如光呼吸可以被消除,美国中西部农民在同样数量的土地上,其作物每年将会多产出230万亿卡的热量。(Annu. Rev. 2016, DOI: 10.1146/annurev-arplant-043015-111709).

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调整光呼吸的许多工作都针对易出错的酶而开展,这种酶名为核酮糖二磷酸羧化\加氧酶(rubisco),用于捕捉二氧化碳。但让核酮糖二磷酸羧化\加氧酶对二氧化碳的选择性更强会减缓它的生长速度,因此改造后的植物不会生长得更快或更大。另一些工作则专注于补充植物分解乙醇酸的自身途径,即在其基因组中插入来自细菌或藻类的乙醇酸洗涤酶。该工作多在拟南芥植物模型中开展,以帮助植物在温室中长的更大,但尚未进入田间试验。此外,作物产量的增长幅度并非如农业学家所认为的那样大。原因之一是被改造过的植物并未关闭其原有的低效光呼吸机制,美国农业部农业研究服务部的分子生物学家Paul South(来自美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校)说。

South和他的研究伙伴们尝试了一种新方法,他们在植物中加入来自衣藻的乙醇酸处理酶和南瓜中的苹果酸合酶,并阻止部分的原生光呼吸。对于植物而言,光呼吸造成巨大损耗部分原因在于,反应物质在细胞内不同的细胞区室中传输数十次。伊利诺伊大学的科学家们借助RNA干扰,阻止了传输的第一步,在叶绿体中捕集乙醇酸。被添加的酶与植物原生的酶共同发生作用,释放出乙醇酸中浪费的碳,形成两个二氧化碳分子。

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Credit: 版权:Claire Benjamin/RIPE Project
经过基因改造后的烟草比传统烟草产量高,且开花早。

该研究团队对模式化作物(烟草)作出改造以展示这一新方法。2017年,该研究团队对烟草进行了大规模田间试验。与未改造的烟草相比,新烟草产量平均增加了40%。

Veronica Maurino是德国杜塞多夫海因里希·海涅大学的一名植物学家,他开发出基因改造方式的早期版本,该版本是伊利诺伊科学家团队新方法的研究基础。他表示,在田间试验中证实产量的提升,是向前迈出的重要一步。不过,科学家们仍需确认这些变化是否“也可提高其他种类作物的产量和增产那些作为食用的部分比如种子、根部和果实。” Maurino说。目前,伊利诺伊的研究团队正试图将该方法应用于大豆、及木薯、以及豇豆等在发展中国家作为主要热量来源的作物。

由YANYAN为C&EN翻译为中文。原文(英文)点击此处。

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