引入苹果酰辅酶A-甘油酸(McG)双循环固碳系统显著提升拟南芥生物量与脂质合成

来自中国科学院的研究人员通过构建新型苹果酰辅酶A-甘油酸（McG）循环，成功解决了植物光合作用中Rubisco酶效率低下及光呼吸碳损失问题。该研究使拟南芥二氧化碳固定率翻倍，种子产量提升三倍，脂质合成增强，为高效固碳和作物增产提供了突破性策略。

　　

植物通过卡尔文-本森-巴沙姆（Calvin-Benson-Bassham, CBB）循环固定二氧化碳（CO₂），但其关键酶核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）效率低下，且每合成三碳化合物会丢失一碳生成乙酰辅酶A（acetyl-CoA）。此外，Rubisco的加氧活性产生乙醇酸，通过光呼吸进一步释放CO₂。

研究团队设计了一种新型代谢途径——苹果酰辅酶A-甘油酸（malyl-CoA-glycerate, McG）循环，利用磷酸烯醇丙酮酸羧化酶（phosphoenolpyruvate carboxylase, PPC）将CBB循环的副产物3-磷酸甘油酸（3-phosphoglycerate, 3PG）或光呼吸产物乙醇酸高效转化为乙酰辅酶A。当以3PG为底物时，该循环可额外固定一分子碳；以乙醇酸为底物时则避免碳损失。

在拟南芥（Arabidopsis thaliana）中引入McG循环后，转基因植株表现出显著生长优势：干重达到野生型的2-3倍，莲座叶数量、叶面积、角果和种子数量均增加，叶片和种子中脂质含量提升。McG植株在 atmospheric CO₂ 条件下的CO₂同化率翻倍，光系统II（PSII）效率提高，光合作用相关蛋白（包括光系统I/II、细胞色素b₆/f复合体、F型ATP合酶）丰度显著上升。细胞分裂素（cytokinin）水平升高可能促进茎顶端分生组织（SAM）扩大和叶原基增多。

研究证实，缺失乙醇酸脱氢酶（glycolate dehydrogenase, GDH）或在高CO₂环境下，McG促生长效应减弱，说明乙醇酸转化途径起主导作用。该循环通过以下机制实现碳高效利用：（1）利用碳酸氢盐（HCO₃^?）而非CO₂作为底物，避免与Rubisco竞争；（2）乙酰辅酶A合成驱动脂质和激素合成；（3）通过未知机制提升光合蛋白丰度，形成正向反馈循环。McG循环为克服天然光合作用局限性提供了新范式，在生物能源与作物增产领域具有应用潜力。