原文以Scientists engineer shortcut for photosynthetic glitch, boost crop growth 40%為標題發(fā)表于2019年1月3日的https://www.igb.illinois.edu/上
原文作者：Claire Benjamin
翻譯：毅
研究者使用LI-6800評估作物增產(chǎn)效果
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作物通過(guò)光合作用可以將太陽(yáng)能轉化為有機物，但是大多數C3作物的光合作用并不完.美。在光合作用過(guò)程中，Rubisco酶會(huì )參與其中。它除了可以催化羧化反應外，還可以和氧氣結合，生成一種對作物來(lái)說(shuō)有害的物質(zhì)——乙醇酸。C3作物為了解決這個(gè)問(wèn)題，進(jìn)化出了一種稱(chēng)之為光呼吸（Photorespiration）的代謝途徑，可以將有害物質(zhì)乙醇酸代謝掉，保護植物體免受損傷。然而，這一代謝過(guò)程耗能很多，限制了作物的生產(chǎn)潛力。今天，伊利諾伊大學(xué)和美國農業(yè)部的研究人員們在頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上撰文，他們使用合成生物學(xué)的方法，重新設計光呼吸過(guò)程，實(shí)現了作物生長(cháng)量40％的提高。
首.席研究員Donald Ort以及Robert Emerson教授說(shuō)，“每年，僅美國中西部地區，作物光呼吸過(guò)程所消耗的能量，就夠再養活兩億人。如果我們有辦法在全球范圍內回收這一過(guò)程的部分能量，就能解決21世紀由人口增長(cháng)所引發(fā)的糧食危機問(wèn)題。”
這一里程碑式的研究，是“實(shí)現光合效率增加RIPE”項目中的一部分。這一國際研究項目由比爾及梅林達·蓋茨基金會(huì )、糧食和農業(yè)研究基金會(huì )（FFAR）以及英國政府的國際發(fā)展部（DFID）資助，旨在通過(guò)生物工程的方法，提高作物的光合效率，實(shí)現全球范圍內糧食產(chǎn)量的穩步提高。
LI-6800高級光合作用測量系統
圖源/https://twitter.com/martijn_slot
光合作用使用Rubisco酶，這一地球上最豐富的蛋白質(zhì)和太陽(yáng)光將二氧化碳和水轉變成糖，促進(jìn)植物的生長(cháng)。然而，幾千年來(lái)，Rubisco酶已經(jīng)成為自身成功的“犧牲品”，因為光合作用使得大氣中氧氣含量增加。Rubisco酶無(wú)法有效的區分這兩種氣體分子，它在大約20％的時(shí)間內捕獲氧氣而不是二氧化碳，導致植物毒性化合物必須通過(guò)光呼吸過(guò)程實(shí)現再循環(huán)。
“光呼吸會(huì )顯著(zhù)削弱光合作用。”第.一作者Paul South說(shuō)。他參與了伊利諾伊的RIPE項目，是農業(yè)研究局的一名分子生物學(xué)家。“它消耗了植物體大量的能量，而這些能量本可以用于光合作用。”
光呼吸通常需要通過(guò)植物細胞中的三個(gè)隔室，具有復雜的代謝過(guò)程。研究者們設計出了替代方式，改變了這一過(guò)程，大大縮短了途徑，節省了大量資源，從而可促進(jìn)作物40％的生長(cháng)。并且，這是第.一次在野外環(huán)境條件下獲得的實(shí)驗數據。
煙草中的替代光呼吸途徑
“和巴拿馬運河提高了貿易效率一樣，這些光吸收捷徑是生物工程的一項壯舉。它驗證了一種可極大提高光合作用效率的獨特方法。” RIPE主任Stephen Long說(shuō)。
該團隊設計了三條替代路線(xiàn)來(lái)取代迂回的原生路徑。為了優(yōu)化新途徑，他們使用不同的啟動(dòng)子和基因設計了遺傳構建體，從根本上創(chuàng )建了一套獨特的路線(xiàn)圖。
經(jīng)過(guò)兩年多的重復實(shí)地研究，他們發(fā)現這些工程植物發(fā)育得更快，長(cháng)得更高，生物量增加了約40％。
作物長(cháng)勢對比 圖源/https://twitter.com/clairebenji
該團隊測試了他們在煙草中的假設。之所以選擇煙草，是由于煙草是一種理想的模式植物，因為它比其他食物類(lèi)作物更容易修改和測試。目前，該團隊正在整理這些研究結果，目標是在食物類(lèi)作物如大豆，豇豆，大米，馬鈴薯，番茄和茄子中進(jìn)行驗證。