将问题转化为机会:光呼吸促进植物新陈代谢

为了寻求更可持续的农业，处理光呼吸(一个高能耗过程)的转基因作物蕴藏着巨大的潜力。来自欧盟资助的Gain4Crops项目的研究人员现在已经成功地设计出一种解决方案，将光呼吸和C4代谢连接起来。这一概念的首次证明为提高生产力和减少资源消耗的战略作物打开了大门。

　　

 

   

由gain4crop开发的植物示意图(右图)与野生植物(左图)相比

来源:@ GAIN4CROPS

在今天的植物中，光呼吸作用消耗了光合作用产生的部分能量，并释放出二氧化碳。当酶RuBisCO作用于氧气而不是二氧化碳时，就会产生有毒的副产物，需要昂贵的循环反应。解毒过程消耗固定碳和浪费能源，因此强烈限制了农业生产力。

科学家通常采用两种方法来最小化光呼吸的有害影响:模拟C4植物的碳浓缩机制或引入新的代谢途径来绕过光呼吸。

由来自海因里希·海涅大学Düsseldorf的Andreas Weber和来自马克斯·普朗克陆地微生物研究所的Tobias Erb领导的研究人员开发了一种解决方案，它协同地耦合光呼吸和C4代谢，连接了植物代谢的两个主要目标。在欧盟资助的项目Gain4Crops (http://www.gain4crops.eu)中，他们已经将光呼吸旁路路线，即最近发现的BHAC，转变为C3植物中的碳强化机制。该团队已经在模型植物拟南芥中引入了微生物BHAC途径的酶，在那里他们成功地将光呼吸的产物转化为合成C4循环的来源，而不耗散碳、氮或能量。

在植物转化成功后，气体交换测量和代谢产物分析证实了该植物保存氮和积累特征C4代谢产物。拟南芥模型显示，光合作用吸收的二氧化碳量没有增加，但光呼吸释放的二氧化碳量却减少了;但是，正如该团队指出的，可能有几个瓶颈掩盖了BHAC通路的全部潜力。

为了充分理解碳固定和最终产量的增加，该途径需要通过动力学和基因组规模的代谢模型识别其他目标来改进。事实上，许多模式生物的原型设计，如拟南芥，可以在转移到目标作物之前发现缺点，从而加快开发进程。例如，Gain4Crops项目计划在一组模型生物中测试新发现的路径，以增加细胞和解剖的复杂性，然后再转向它的最终目标:向日葵。

总的来说，这项研究首次证明了C3植物依赖光呼吸的碳聚集机制的概念，解决了这一问题，并为未来提高农业生产力创造了机会。此外，更高的光合作用作物可能成为一个有价值的工具在面对气候变化，因为它们的气候适应能力和减少的资源消耗。

在这个资源短缺、环境条件不断变化的星球上，农业需要跟上人口增长的步伐。“提高可持续性可能是21世纪最大的挑战，而且，即使没有单一的银弹，不同解决方案的组合可能带来有效的改善，”Andreas Weber说。为了寻求更可持续的农业，使用更少土地和资源的转基因作物可能是解决方案的一部分。

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