Science： “人类餐盘子问题”的里程碑

植物通过光合作用将阳光转化为能量，然而，地球上大多数作物都受到光合故障的困扰。为了解决这一问题，植物进化出了一种被称为光呼吸的昂贵的能量代谢过程，但它极大地抑制了作物的产量潜力。

　　

伊利诺伊大学和美国农业部农业研究所服务机构的研究人员最近在Science杂志发表了一篇文章，报告称在现实的农业条件下，设计光呼吸捷径可以使作物产量提高40%。

（左：4株未经改造的植物  右：4株光呼吸途径被工程改造的植物）

“我们每年可以用光呼吸损失的卡路里养活2亿人口，”伊利诺伊大学基因组生物学研究所的高级研究员Donald Ort教授说。“世界范围都开始回收这些卡路里，就能满足21世纪快速增长的食物需求（受人口增长和更富裕的高热量饮食驱动）将有很大帮助。”

这一里程碑式进展由比尔和梅琳达盖茨基金会、食品和农业研究基金会（FFAR）和英国政府国际发展部（DFID）资助，通过实现提高一部分光合作用效率，可持续地提高世界粮食生产力，造福人类。

光合作用利用Rubisco酶（地球上最丰富的蛋白质）和太阳能将二氧化碳和水转化为糖，从而促进植物生长和产量。但是几千年来Rubisco一步步用氧气成功地埋葬了自己，由于无法有效地区分这两种分子，Rubisco抓取氧气的能力大约是抓取二氧化碳的20倍，导致植物体内产生了大量有毒化合物，这些物质必须通过光呼吸过程进行回收。

“光呼吸作用是反光合作用的，”文章一作、农业研究机构的分子生物学家、RIPE项目成员Paul South说。“它会消耗植物已获得的宝贵能源和生产资料，如果不是光呼吸作用，植物本可以提供更多生长和产量。”

光呼吸（Photorespiration）是一个复杂的途径，通常发生在植物的三个分隔小室。科学家们设计了替代途径来改变这个过程，大大缩短了路径，节省了足够的资源来促进植物提产。这是科学家们第一次在现实的农艺条件下测试工程光呼吸固定装置。

“就像巴拿马运河是提高贸易效率的工程壮举一样，光呼吸捷径是植物工程的壮举。证明了极大提高光合作用效率的独特手段，”RIPE项目主任、作物科学和植物生物学教授Stephen Long说。

研究小组设计了三条替代路径，以取代迂回的天然路径。为了优化新路径，他们采用了不同的启动子和基因来设计基因结构，本文描述的是一套独特的路线图，随后在1700多株植物中对路线图进行压力测试，筛选出表现最好的。

经过两年重复实地研究，他们发现，工程作物发育更快、生长更高、产量也增加了40%，其中50%长出了更粗壮的茎。

烟草是一种理想的作物研究模型，因为它比粮食作物更容易修改和测试，它的叶冠（leaf canopy）允许它们进行田间测试。现在研究小组正在进行大豆、豇豆、大米、土豆、番茄和茄子产量验证。

科学家们在进行数据收集Don Ort (左), Paul South (中) and Amanda Cavanagh (右)

“当天气变热，Rubisco从氧气中挑出二氧化碳的难度升高，就会导致更多的光呼吸，”共同作者博后研究员Amanda Cavanagh说。“我们的目标是建造更好的植物，在任何条件下都能吸收热量，帮助农民们掌握他们养活世界所需的技术。”

虽然将这项技术转化为粮食作物，并获得监管部门批准可能需要十多年，但是RIPE项目的农场主及其赞助者承诺确保小农户（特别是撒哈拉以南非洲和东南亚地区的小农户）能够免费获得该项目的所有突破。

欢迎索取赛默飞2018版的基因分析仪平台医学研究及应用手册

原文检索：Synthetic glycolate metabolism pathways stimulate crop growth and productivity in the field

（生物通：伍松）