近日,，生命科學(xué)學(xué)院彭新湘/朱國(guó)輝/張智勝團(tuán)隊(duì)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(xiàng)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(rèn)為是未來(lái)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(guò)程,，通過(guò)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(lái)，科學(xué)家通過(guò)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(xiàn)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(tuán)隊(duì)針對(duì)前期水稻GOC和GCGT支路存在的結(jié)實(shí)率下降與產(chǎn)量波動(dòng)問(wèn)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(lèi)作物,，能有效規(guī)避結(jié)實(shí)率環(huán)節(jié)產(chǎn)生的問(wèn)題,。通過(guò)優(yōu)化升級(jí)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(yàn)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(shì)，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(yàn)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(lèi)作物的分子設(shè)計(jì)育種提供指引,。目前,，團(tuán)隊(duì)在開(kāi)展更大范圍的田間試驗(yàn)，為下一步技術(shù)推廣和實(shí)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(tuán)隊(duì)針對(duì)光呼吸甘氨酸（Gly）在線(xiàn)粒體中氧化造成碳損耗的問(wèn)題，利用嗜鹽隱桿藻ApGSMT和ApSDMT基因在線(xiàn)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(qiáng)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(shí)，imGS水稻的一級(jí)與二級(jí)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(shí)率下降。該研究首次在線(xiàn)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(tuán)隊(duì)通過(guò)密碼子優(yōu)化與葉綠體定位信號(hào)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(píng)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(shí)率下降,，其籽粒產(chǎn)量未呈現(xiàn)顯著差異。該研究進(jìn)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(kù)”的協(xié)調(diào)性是作物高產(chǎn)的核心機(jī)制,，光合產(chǎn)物的高效生成（源）、轉(zhuǎn)運(yùn)（流）與貯藏（庫(kù)）共同決定了最終產(chǎn)量,。團(tuán)隊(duì)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(qiáng)度,，還為深入解析光合作用與糖信號(hào)調(diào)控“源-庫(kù)”動(dòng)態(tài)平衡提供了理想的遺傳材料,。

　　上述研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2020YFA0907600），農(nóng)業(yè)生物育種國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)（2024ZD04080,、2023ZD04072）,，廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用研究重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2019B030302006）和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（32070265、32270252）的資助,。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)劉耀光院士團(tuán)隊(duì)提供了多基因表達(dá)載體和技術(shù)指導(dǎo),。彭新湘/朱國(guó)輝/張智勝研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于作物高光效研究，近年來(lái)通過(guò)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(guó)輝