综述：用于增强光合效率和农艺性状的叶绿体工程

本综述系统探讨了叶绿体工程的最新进展，聚焦于通过基因操作（如光合作用相关基因）和非遗传策略（如合成肽）提升光合效率（Photosynthetic Efficiency），以增强作物产量、抗逆性（Stress Resilience）及实现碳中和（CO2减排）目标，为农业可持续发展和气候应对提供关键技术路径。

　　

Highlights

叶绿体工程以提高光合功能为目标，已被广泛应用于增强多种农艺性状，包括植物生长、种子产量、果实品质和胁迫耐受性。对叶绿素生物合成与降解、光利用效率、光氧化损伤以及CO₂固定途径的基础理解，揭示了可被适当修饰以改善光合过程的新靶点。光合高效作物不仅将支持全球粮食生产，还将有助于实现未来设定的净零CO₂排放目标。使用合成肽或独特化学物质以改善叶绿体功能，已成为一种可行的非遗传方法。开发自然界中不存在的新型光合系统，可为碳负性生物制造提供动力。

Abstract

植物叶绿体是进行光合作用的重要细胞器，对维持地球生命至关重要。它不仅能在释放O₂的过程中将光能转化为食物，还能消耗CO₂，从而减缓气候变暖的速度。热、氧化胁迫、波动光和除草剂等胁迫因素对叶绿体的光合潜力产生负面影响。因此，协同研究努力集中于叶绿体工程，以改进光合过程，从而增强植物生长、作物产量和胁迫恢复力。在此背景下，本综述讨论了叶绿体工程的最新进展，包括对参与光合作用的基因的操作。此外，还详细介绍了增强光合作用的非遗传方法。最后，强调了可能产生光合高效作物的未来研究方向。

叶绿体是植物细胞中负责光合作用的关键细胞器，这一过程对于地球生命的维持至关重要。它通过将光能转化为化学能（食物），同时释放氧气（O₂）并消耗二氧化碳（CO₂），直接贡献于减缓全球气候变暖。然而，多种环境胁迫，如高温、氧化胁迫、光照波动以及除草剂的使用，都会对叶绿体的光合功能产生不利影响，限制作物的生产潜力。

为了应对这些挑战，科学研究正集中通过叶绿体工程来优化光合过程。这一领域的最新进展主要包括两大策略：遗传操作和非遗传方法。遗传途径涉及对光合作用相关基因的精确修饰，例如调控叶绿素的生物合成与降解途径、提高光能利用效率、减轻光氧化损伤以及优化CO₂固定（如卡尔文循环）的关键酶。这些基因操作的目标是解锁叶绿体的内在潜力，从而显著提升作物的生长速率、最终产量（如种子和果实品质）以及对各种生物和非生物胁迫的耐受性。

与此同时，非遗传方法也展现出巨大应用前景。这包括使用设计合成的肽类分子或特定的化学物质，这些成分能够直接作用于叶绿体，增强其功能稳定性或效率，而无需改变植物的遗传背景。这种方法为作物改良提供了快速、灵活的替代方案。

展望未来，叶绿体工程的终极目标之一是培育出光合效率极高的“超级作物”。这类作物不仅能大幅提升全球粮食安全保障能力，还将通过更高效地固定大气中的CO₂，助力实现全球碳中和的宏伟目标。此外，开创性地构建“自然界中不存在”的全新光合系统，将为碳负性生物制造注入新的动力，推动农业和生物工业向更加可持续的方向发展。