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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Photosynthesis
C&EN 中文版
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
| A version of this story appeared in
Volume 97, Issue 1
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).
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。
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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