近日,，生命科學(xué)學(xué)院彭新湘/朱國輝/張智勝團隊在中科院1區(qū)Top期刊Plant Biotechnology Journal、Journal of Integrative Plant Biology,、The Crop Journal連續(xù)發(fā)表三項研究成果,，揭示了光呼吸代謝優(yōu)化在作物高光效育種中的應(yīng)用潛力。

　　光合作用是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ),，而高光效育種被認為是未來種業(yè)創(chuàng)新的關(guān)鍵突破口,。光呼吸作為伴隨光合作用的耗能過程，通過吸收O2并釋放CO2,，導(dǎo)致C3作物損失30%-50%的光合同化物,。近年來，科學(xué)家通過合成生物學(xué)策略在葉綠體中重構(gòu)光呼吸代謝支路,，以此減少線粒體光呼吸CO2損耗,，顯著提升作物光合效率與生物量。

　　在PBJ發(fā)表的論文“Synthetic photorespiratory bypass more stably increases potato yield per plant by improving photosynthesis”中,，團隊針對前期水稻GOC和GCGT支路存在的結(jié)實率下降與產(chǎn)量波動問題（Wang et al., Mol Plant, 2020; Shen et al., Mol Plant, 2019）,，轉(zhuǎn)向馬鈴薯這一塊莖作物，因馬鈴薯作為塊莖類作物,，能有效規(guī)避結(jié)實率環(huán)節(jié)產(chǎn)生的問題,。通過優(yōu)化升級GOC支路，構(gòu)建了適配馬鈴薯的光呼吸代謝支路,。多年多產(chǎn)區(qū)大田試驗表明：GOC馬鈴薯生物量增加6.5%-60.1%,；單株產(chǎn)量提高21.3%-69.2%，且增產(chǎn)效果穩(wěn)定,。尤其是,，GOC馬鈴薯在高輻照產(chǎn)區(qū)更具增產(chǎn)優(yōu)勢，且在間歇性澇害和陰雨天氣下仍保持顯著的增產(chǎn)效果,。該研究驗證了光呼吸代謝工程改造在塊莖作物中的應(yīng)用前景,，為馬鈴薯及其他根莖類作物的分子設(shè)計育種提供指引。目前,，團隊在開展更大范圍的田間試驗,，為下一步技術(shù)推廣和實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

GOC馬鈴薯不同地區(qū)的表型

GOC馬鈴薯不同產(chǎn)區(qū)的產(chǎn)量與生物量

　　在JIPB發(fā)表的論文“Engineering of photorespiratory-dependent glycine betaine biosynthesis improves photosynthetic carbon fixation and panicle architecture in rice”中,，團隊針對光呼吸甘氨酸（Gly）在線粒體中氧化造成碳損耗的問題,，利用嗜鹽隱桿藻ApGSMT和ApSDMT基因在線粒體中構(gòu)建了誘導(dǎo)型光呼吸支路imGS，將部分Gly定向轉(zhuǎn)化為甜菜堿,，以分流光呼吸并增強抗逆性,。結(jié)果顯示：imGS水稻光呼吸速率下降、甜菜堿積累增加，光合效率,、葉片淀粉和蔗糖含量分別提高8%-17%、20%-30% 和30%-40%,。同時,，imGS水稻的一級與二級枝梗數(shù)增加，使得每穂穗粒數(shù)和總穗粒數(shù)顯著增加,，但結(jié)實率下降,。該研究首次在線粒體中構(gòu)建光呼吸支路、并利用光呼吸中間產(chǎn)物合成有用物質(zhì),，為光呼吸代謝工程改良提供了新的思路,。

imGS水稻相關(guān)表型

　　在Crop J發(fā)表的論文“A synthetic glycolate metabolism bypass in rice chloroplasts increases photosynthesis and yield”中，團隊通過密碼子優(yōu)化與葉綠體定位信號改造,，將萊茵衣藻CrGDH與南瓜CmMS基因?qū)胨?，?gòu)建了葉綠體“乙醇酸→乙醛酸→蘋果酸”GMS光呼吸支路。結(jié)果顯示：GMS株系光呼吸速率下降,，光合速率和葉片淀粉含量提高,。GMS/ZH11單株生物量與籽粒產(chǎn)量分別提升1.8-16.0%和22.0-34.7%。GMS/osplgg1b株系單株生物量提高15.4-85.7%,，但因結(jié)實率下降,，其籽粒產(chǎn)量未呈現(xiàn)顯著差異。該研究進一步證明了光呼吸支路改造在提高作物產(chǎn)量中的應(yīng)用潛力,。

GMS光呼吸支路提高水稻生物量和產(chǎn)量

　　“源-流-庫”的協(xié)調(diào)性是作物高產(chǎn)的核心機制,，光合產(chǎn)物的高效生成（源）、轉(zhuǎn)運（流）與貯藏（庫）共同決定了最終產(chǎn)量,。團隊創(chuàng)制的系列高光效光呼吸支路材料（如GOC,、GCGT、imGS,、GMS水稻,；GOC馬鈴薯），不僅直接提升光合“源”強度,，還為深入解析光合作用與糖信號調(diào)控“源-庫”動態(tài)平衡提供了理想的遺傳材料,。

　　上述研究得到了國家重點研發(fā)計劃項目（2020YFA0907600），農(nóng)業(yè)生物育種國家重大科技專項（2024ZD04080,、2023ZD04072）,，廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用研究重點研發(fā)計劃項目（2019B030302006）和國家自然科學(xué)基金項目（32070265、32270252）的資助,。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)劉耀光院士團隊提供了多基因表達載體和技術(shù)指導(dǎo),。彭新湘/朱國輝/張智勝研究團隊長期致力于作物高光效研究，近年來通過合成生物學(xué)等技術(shù)構(gòu)建了多條光呼吸支路，顯著提升作物的光合效率,、生物量和產(chǎn)量,。

相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1111/pbi.70076

https://doi.org/10.1111/jipb.13874

https://doi.org/10.1016/j.cj.2025.03.001

文圖/生命科學(xué)學(xué)院  朱國輝