综述：用于碳封存的块茎作物工程：遗传改良策略与技术进步

《Tropical Plants》：Engineering tuber crops for carbon sequestration: genetic improvement strategies and technological advances

　　

根茎类作物（Root and Tuber Crops, RTCs），如马铃薯、木薯和甘薯，是全球重要的主食，并展现出巨大的碳封存潜力。它们独特的源-库-流协同作用、高光合效率以及地下碳储存能力，使其成为缓解气候变化的关键。然而，RTCs面临着固有的瓶颈：低效的C₃光合作用伴随光呼吸损耗、源-库失衡以及不充分的低碳管理实践。为应对这些限制，本综述综合了遗传工程策略（例如，优化Rubisco功能，引入C₄/CAM途径元件，通过AGPase和糖转运蛋白增强库强）以及改进的田间管理（例如，平衡施肥、轮作、生物炭应用和基于物联网的精准农业）。这些综合方法协同增强碳固定、优化碳分配并强化土壤碳汇。因此，RTCs代表了一条有前景的途径，以协调粮食安全与碳中和目标，为全球范围内发展气候韧性和可持续农业系统提供了可行路径。

**引言：块茎作物的必要性和重要性**
根茎类作物（Root and Tuber Crops, RTCs），包括马铃薯、木薯、甘薯、山药和芋头，是全球重要的主食，在热带和亚热带发展中国家占据着不可或缺的地位。RTCs在保障全球粮食安全方面显示出多重优势。首先，这些作物表现出卓越的适应性，能够在从热带肥沃土地到遭受干旱、盐碱和高海拔的边际土地等多种气候区生长。其次，RTCs具有高产稳产的特点，能有效满足食品和营养需求，富含维生素A、维生素C、膳食纤维和蛋白质，因此在饮食多样化和缓解微量营养素缺乏方面发挥着重要作用，尤其是在资源有限的社区。因此，RTCs在全球粮食安全中扮演着关键角色，它们为人类消费提供必需的能量和营养，并在多样化的农业生态系统中带来显著的经济和环境效益。例如，全球木薯和甘薯的种植面积和产量持续增加，特别是在发展中国家，这些作物已成为许多社区的主要食物来源。此外，RTCs的作物残渣（如果皮、叶和茎）可作为动物饲料利用，从而进一步提高农业资源的利用效率。马铃薯和木薯分别代表了来自温带和热带的RTCs，对全球粮食安全尤为关键。马铃薯是世界第四大主粮作物，其高产和耐寒性使其能在包括热带在内的广泛气候条件下种植。相反，木薯以其耐受低土壤肥力和对病虫害的高抗性而闻名，因此在东南亚、非洲和南美洲的低地热带地区广泛种植。这两种作物不仅是数十亿人的主要碳水化合物来源，而且在应对气候变化和粮食危机方面发挥着关键作用。块茎作物不仅是全球粮食安全体系中的关键作物，而且在农业碳循环和气候变化减缓中扮演着重要角色。纳入块茎作物的农业生态系统可以通过采用保护性耕作和覆盖作物等管理措施，显著增加土壤有机碳库。通过将光合产物有效运输和储存在地下块茎或根中，这些作物实现了可观的碳积累，并具有长期碳储存潜力。像木薯这样的高产根茎作物具有较强的碳同化和分配能力，能够在根组织中形成相对稳定的碳库，从而增强农田生态系统的碳汇功能。在升高的CO₂条件下，马铃薯的生物量和块茎产量显著增加，表明其在高碳环境中具有强大的碳封存潜力。通过利用块茎作物在生态农业中的多功能作用——例如支持种植制度多样化、减少对化学肥料的依赖以及发掘其土壤修复潜力——可以进一步推动农业部门的循环经济，这有助于建设气候适应性农业和实现碳中和目标。尽管集约化的RTC生产系统可以提高产量，但高能耗和化肥投入常常导致显著的温室气体排放和碳足迹。因此，未来的努力应将遗传改良（如优化碳同化和运输途径）与系统管理策略（如精准施肥和生物炭应用）相结合，以充分实现RTCs在全球碳减排和可持续农业中的潜力。

**RTCs的固碳潜力与光合效率**
**RTCs中的源-库-流协同：地下碳封存**
RTCs是重要的全球食物来源，并对陆地碳封存有显著贡献。这些作物因其较高的淀粉含量而具有高能量密度和巨大的碳储存潜力。此外，作物残体可提升土壤有机碳水平，从而减少CO₂排放。例如，马铃薯的减耕和免耕系统能够在全球范围内实现额外的年度土壤碳封存，减缓CO₂释放。有证据表明，约20%的根系来源碳输入会进入非根际土壤并参与长期循环，突显了根系在碳封存中的关键作用。从源-库-流框架来看，根茎类作物的碳封存优势体现在：源强度方面，叶片表现出高光合效率，能有效固定大气CO₂；库容量与位置方面，地下库（块茎或根）具有高收获指数，能将光合产物直接输送到土壤，形成稳定的碳库；流动效率方面，从源到库的运输途径较短，且库提供正反馈以维持叶片光合能力；碳持久性方面，深层根系将碳输送到更深的土层，该处的物理保护促进了稳定性，而禾谷类作物的碳输入则集中在表层，并在收获时容易被移除。因此，RTCs通过协调的源-库-流动态实现高效的光合产物分配，其地下库促进了碳直接向土壤的转移，增强了封存的持久性和稳定性。对杨树的生长监测显示，地下碳输入转化为土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）的效率达到76%，而地上碳输入的转化效率仅为9%。块茎和主根等储藏器官代谢活性低，其中营养物质和碳物质的分解速率缓慢。未收获的块茎残体和深层根系作为植物的地下碳储存库，其含有的碳物质不易被快速矿化，可以作为稳定的碳库。这些属性在以下方面展现了农业生态系统碳汇的独特价值：土壤碳储存方面，RTCs拥有广泛的根系，能增加SOC含量；低碳排放方面，生长和加工过程中的碳排放相对较低，例如马铃薯的碳排放因子低于许多谷类作物；强适应性方面，RTCs能很好地适应多样的环境和土壤条件。地下碳分配和稳定性被认为是RTCs的一个独特特性，它们将大部分光合同化碳高效地分配到地下器官，创造了显著的碳汇，对SOC库有贡献。这种分配是由块茎和根系中强大的库强驱动的。例如，甘薯中的一个关键酶H⁺-焦磷酸酶（IbVP1）通过促进韧皮部装载和长距离蔗糖运输，增强了从叶片到储藏根的碳通量。在马铃薯中，升高的CO₂浓度刺激净光合作用，导致地上和地下生物量积累增加。大量光合固定的碳通过根系分泌物释放到土壤中，塑造微生物群落并进一步在根际稳定碳。这种地下碳的稳定性是一个关键方面。与分解迅速的地上生物量相比，结合到块茎和根中的碳可以贡献于更稳定的土壤碳组分。此外，对马铃薯的遗传研究表明，从源叶到块茎的碳分配模式是一个基础且受调控的过程，确保了碳被导向地下库。这种有效的地下分配及随后的稳定化，强调了RTCs在气候智能型农业中通过增强土壤碳封存的潜力。

**RTCs的地上光合效率与二氧化碳固定**
RTCs正成为农业碳封存中的关键角色。其独特的生理特性在于将光合固定的碳高效分配到富含淀粉且顽固的地下储藏器官。这种地下分配策略导致大量碳输入到土壤系统，使其中的碳比短暂存在的地上生物量在化学和物理上更稳定。因此，RTCs为中长期碳储存提供了一条重要途径，对减缓气候变化有显著贡献。在固碳能力方面，马铃薯的核心优势在于碳向地下库的有效分配和长期保留。在块茎膨大期，35%-45%的固定碳被定向分配到块茎和根系。收获的块茎本身即可实现显著的碳封存，而未收获的残体也可额外贡献碳。这些残体富含结晶态直链淀粉，年分解率较低，平均驻留时间为2-5年，显著增强了SOC库的稳定性。情景模拟表明，在优化管理下，马铃薯生产的碳通量可达高水平；即使在平均管理条件下，也能维持弱的碳汇效应。作为关键的RTCs，马铃薯拥有独特且高效的光合机制，同时展示出巨大的固碳潜力，是农业生态系统碳汇的重要贡献者。作为C₃植物，马铃薯依赖卡尔文-本森-巴沙姆循环（Calvin-Benson-Bassham cycle）进行CO₂同化，核心酶是核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）。尽管Rubisco介导碳固定，但其具有固有的动力学限制，导致在温暖低湿条件下高达25%-30%的光呼吸损失。尽管如此，在15-25°C的最佳温度范围内，马铃薯仍能维持一定的净光合速率。升高的CO₂（elevated CO2, eCO2）能有效补偿Rubisco的局限：在800 μmol·mol^-1浓度下，eCO2不仅通过提高辐射利用效率（Radiation Use Efficiency, RUE）和蒸腾效率（Transpiration Efficiency, TE）增强光合速率，还能抑制光呼吸。在热胁迫加eCO2条件下，eCO2显著提高了马铃薯品种的产量，且某些品种的块茎数量和重量均优于对照组。此外，马铃薯在固碳方面对环境胁迫具有强韧性。在高臭氧浓度下，eCO2能通过减少气孔臭氧通量来维持碳固定。为应对高温引起的固碳抑制，eCO2与高温的联合处理可以通过维持光合能力并优化向块茎的生物量分配来减轻这种负面影响。当与适应措施（如调整种植窗口和选择合适品种）相结合时，eCO2能够使全球马铃薯产量增加9%-20%，这进一步证实了马铃薯在农业碳封存中的关键作用，突出了RTCs在气候智能型农业中的核心价值。木薯也表现出强大的碳封存能力——它通常被归类为C₃-C₄中间型植物。这种分类基于两个关键特性：其低光呼吸CO₂补偿点以及位于栅栏叶肉组织中的高效CO₂再循环机制。这些特性使木薯在易干旱环境中表现出增强的光合性能。研究表明，在温暖气候条件下，木薯能够达到相当高的最大净光合速率。此外，达到这些速率所需的光饱和点也很高。在高产木薯栽培系统中，年固碳能力可达8-12吨碳/公顷，这支撑了在9-12个月生长期内新鲜根产量达到15-30吨/公顷。田间试验评估了光合作用与生产力及其相互关系，结果表明高光合能力可以作为高产木薯的关键选择性状。在CO₂富集条件下对八个木薯品种进行评估，发现升高的CO₂使光合作用增加了31%，且在整个生长季节没有发生光合下调，从而将新鲜和干根生物量分别提高了27%和37%。同时，此举还改善了内在水分利用效率，且叶片蛋白含量以及叶片和根中的氰化物浓度不受影响，表明未来大气CO₂升高有望带来更高的木薯产量。作为一种重要的粮食作物，甘薯表现出可观的固碳能力，在农业碳汇中发挥着重要作用。这种C₃植物在田间条件下具有特定的光合速率，在25-30°C和中等光照下达到最佳性能。其Rubisco动力学与马铃薯相当。凭借特定的生长周期和鲜根产量，其净年碳封存能力范围明确。其固碳能力受环境因子和遗传特性的影响；在全球气候变化的背景下，特别是在升高的CO₂浓度下，甘薯显示出增强碳汇能力的巨大潜力。研究表明，甘薯在其生长周期内可将部分光合产物分配到储藏根，最终的根产量与光合产物分配显著相关。与其他块茎作物类似，在700 ppm的eCO2下，其光合速率显著增强，这主要通过抑制光呼吸来介导。这种反应强调了甘薯对eCO2的适应潜力。类似地，通过在不同CO₂浓度下测量光合作用，测试了光合高效且气候智能的甘薯品种。

**RTCs与C₄作物的光合作用与碳封存比较**
RTCs在全球粮食安全中扮演着关键角色，尤其在撒哈拉以南非洲的发展中国家或最不发达国家的热带地区。其光合作用和碳封存效率是理解生产力、气候变化韧性以及减缓温室气体排放潜力的关键。主流的C₄作物，包括玉米、高粱和甘蔗，常常因其在碳固定方面进化出的更高效适应性而被作为与RTCs比较的基准。主要利用C₃光合途径的RTCs，其光合和碳封存效率低于C₄作物。在光能利用率（Light-Use Efficiency, LUE）方面，C₄作物明显优于RTCs。在30°C和当前大气CO₂水平下，C₃植物的理论最大光合效率约为4.6%，而C₄植物为6.0%，田间实现的效率显示，由于光呼吸最小化，C₄作物的碳固定率可高出20%-30%。辐射利用效率（Radiation Use Efficiency, RUE）也强化了这些趋势，C₄作物将辐射转化为干物质的效率高于RTCs。测量的净光合速率证实了这一差距：木薯在饱和光照下可达40-50 μmol CO₂ m^-2·s^-1，甘薯为21.4-40.3 μmol CO₂ m^-2·s^-1，山药为20-30 μmol CO₂ m^-2·s^-1，而C₄的高粱和玉米通常在32-50 μmol CO₂ m^-2·s^-1范围内。对于碳封存，C₄植物表现出更高的CO₂固定通量和年度土壤碳输入，相比之下，RTCs的根系来源碳输入较低。尽管木薯显示出部分缓解光呼吸的C₃-C₄中间型特征，但RTCs总体上效率仍较低，表1对此进行了比较。

**制约RTCs碳封存能力的瓶颈**
**碳固定与源-库动态的限制**
**C₃途径中碳固定的生化限制**
在块茎作物中，碳封存效率受到核心生理和分子瓶颈的内在限制，这些瓶颈制约了碳固定及其随后向地下库的分配。在固定层面，C₃途径依赖于Rubisco，这是一种具有内在低催化转换率且受O₂强烈竞争性抑制的酶。这些分子特性导致大量的光呼吸损失，通常移除20%-50%先前固定的碳，构成了马铃薯低碳封存能力的主要生化基础。使这一限制更加复杂的是，Rubisco活化酶（Rubisco activase, Rca）——维持Rubisco处于活性构象的分子伴侣——对热胁迫极为敏感。马铃薯种植区常见的田间温度足以使Rca失活，导致Rubisco活化状态和碳同化的快速下降。缺乏热稳定性的Rca同工型，加上Rubisco组装因子（如Raf1, Raf2, BSD2, Hsp70和Cpn60）优化不完全，进一步限制了在波动的田间条件下可维持的功能性Rubisco的数量。

**源-库失衡与反馈抑制**
除了固定问题，RTCs（如马铃薯）的低碳汇表现反映了光合“源”强度与块茎吸收流入碳通量的生化和发育能力之间的不匹配。当光合增强未伴随库需求的成比例增加时，叶片组织中积累的糖分会诱导糖信号和反馈抑制途径，抑制卡尔文循环并限制整体生产力——这是马铃薯在高光照或升高CO₂下普遍观察到的问题。这说明了核心的“源-库-能量优化困境”：若不同时增强库强，碳固定的改善无法转化为持久的碳储存增加。因此，马铃薯面临库相关遗传调控不足的问题，包括用于淀粉生物合成的AGPase活性有限、亚理想的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶介导的CO₂浓度以及受限制的韧皮部卸载能力。转运蛋白如SUT、SWEET和块茎特异性转运蛋白的表达水平通常低于将最大碳通量导入发育块茎所需水平，这为碳封存创造了另一个结构性障碍。

**发育与调控限制**
发育和调控限制进一步限制了低碳性能。块茎起始、库分化和碳分配转变受紧密关联的miRNA调控网络控制，包括miR156和miR172。这些网络在现代马铃薯育种中很大程度上尚未优化，阻碍了对库形成和碳分配的精确操纵。此外，基因编辑工具（如适用于调控性RNA编辑的CRISPR-Cas系统）的有限部署，阻碍了微调这些网络以增强库稳定性的努力。在RTCs中，实现高效源-库平衡受到同化、运输和储存方面的调控反馈的限制。例如，源过载而库容量不匹配可能导致糖积累，从而抑制关键代谢酶。缓解此机制的一种方式是ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（ADP-glucose pyrophosphorylase, AGPase）的氧化还原调控：在块茎中，当库供应中断时，AGPase以非活性二聚体形式存在，但还原条件可以恢复其活性并驱动淀粉合成，将蔗糖输入与储存通量联系起来。在运输层面，块茎化信号SP6A与SWEET11发生物理相互作用，限制蔗糖外排进入质外体，从而促进其通过共质体途径卸载到发育中的块茎。对此相互作用的计算模型进一步支持，SP6A介导的SWEET11抑制增强了流向匍匐茎尖端的蔗糖通量，提高了库输送效率。在块茎发育过程中，还存在一个协调的代谢和结构转换；胼胝质代谢被重新编程，胞间连丝电导增加以加强共质体连通性并强化库强。同时，被证明在嫁接中可移动并调节SPL转录因子的miR156，调控光周期控制下的块茎作物结构和块茎化；其过表达通过SPL模块改变miR172水平，暗示了一个参与源-库信号传导的miR156-SPL-miR172网络。此外，通过StBIN2激酶进行的激素信号传导可以通过调控包括SWEET11和SUT3在内的蔗糖转运蛋白基因来影响库强，整合糖感知与发育信号。基于以上，块茎和根茎作物通过四种核心机制调节源-库-流能量效率：（1）miR156/miR172层级网络作为上游发育模块，在光周期信号下协调块茎起始、库建立和碳分配；（2）StBIN2激酶充当激素枢纽，在转录/翻译后水平磷酸化关键因子以双向调控糖转运蛋白和代谢，将发育信号转化为碳运输/利用指令；（3）SP6A在翻译后与SWEET11相互作用，抑制质外体蔗糖外排并促进蔗糖向块茎的共质体卸载，引导碳运输；（4）AGPase氧化还原激活将蔗糖输入与淀粉生物合成耦合，增强库响应性并避免光合反馈抑制。此外，胼胝质代谢重编程提高了胞间连丝通透性以加强碳通量通道。这些组分共同构成了一个层级清晰、多途径协同的分子调控网络，以miRNA介导的发育调控为核心上游开关，SP6A-SWEET11介导的定向卸载和AGPase介导的淀粉合成为产量形成的双引擎，整合了激素/氧化还原信号、转运蛋白介导的碳运输和胞间连丝调节，稳定碳流分配，缓解光合产物反馈抑制，最终实现源-库-流能量效率的整体优化。然而，这个调控网络在大多数现代RTC品种中仍未得到优化，其协同功能还受到固有生理瓶颈的进一步制约。总之，固有的低效率碳固定、对胁迫敏感的Rubisco调控、不足的库强、薄弱的碳运输能力以及未优化的发育调控模块共同解释了为什么RTCs保持相对较低的碳封存效率，以及为什么其低碳农业性能仍低于理论潜力。因此，需要策略性的、多靶点的遗传工程来同时提高固定效率、加强碳汇并在田间胁迫条件下稳定源-库动态。

**RTCs管理中的差距：从光合源到土壤碳汇**
低碳农业技术在RTCs生产中的应用仍然有限，这直接限制了其碳封存潜力的实现。在田间管理层面，增强和稳定土壤碳库对于协同提高土壤肥力和碳封存能力至关重要。环境胁迫，特别是水资源短缺，也显著限制了碳固定。研究表明，在土壤水分胁迫下，马铃薯的碳同化遵循两阶段响应：首先，气孔关闭和叶肉导度降低共同限制了CO₂向叶绿体的扩散；随着干旱加剧，光合机构本身的活性下降。详细的限制性分析表明，叶肉导度是限制马铃薯碳水和气体交换的最关键因素，其在各种土壤水分条件下的重要性超过了气孔因素。在严重干旱下，叶肉导度降低约占光合速率下降的40%，而Rubisco羧化能力降低约占30%。在中国西北旱区这个主要的马铃薯产区，连作普遍存在，而轮作和绿肥种植等低碳实践利用不足。这不仅导致土壤退化，还维持着高水平的温室气体排放。相比之下，采用Durum Wheat–Green Manure–Potato等低碳轮作系统已被证明能显著增加土壤碳封存并减少温室气体排放。虽然单独施用有机肥可以增加土壤有机碳含量，但也可能加速有机质矿化，不利于碳库的长期稳定。在2011年至2021年间，中国马铃薯生产的特点是氮磷投入过量、钾肥施用不足以及低碳养分管理技术应用有限。结果，农田温室气体排放增加了83.4%，而碳封存效率仍然很低。总之，有机无机肥配施，特别是平衡施肥，被证明在增加土壤总有机碳、易氧化有机碳和矿物结合态有机碳方面更有效。这种方法还能显著改善碳库管理指数，从而增强长期土壤碳封存。此外，地膜覆盖与生物炭施用的组合已被证明是一种有效的协同策略。地膜覆盖有助于保持土壤水分并提高产量，而生物炭凭借其高比表面积和稳定性，改善了土壤水分和养分保持，并作为一种持久的碳储存材料。研究表明，这种综合措施显著提高了马铃薯栽培中的水分利用效率和块茎产量。

**未来展望与讨论**
**用于增强RTCs碳固定的遗传工程**
如前所述，作为超过十亿人口主粮的RTCs，主要依赖低效的C₃光合途径，导致通过光呼吸的大量碳损失，以及在预测的未来升高的温度和CO₂下有限的CO₂固定能力。通过遗传工程和生物技术增强其碳封存潜力，是提高产量并为大气CO₂减排做出贡献的一条有前景的途径，如图1所示。块茎作物储存碳的整体能力取决于“源-库动态平衡”。叶片作为“源”器官，通过光合作用进行碳固定；块茎/主根作为“库”器官，将“源”器官产生的蔗糖转化为淀粉颗粒进行储存。如果遗传工程增强了叶片的同化作用，但没有提高块茎储存碳的能力，糖分就会在植物中积累。这种积累可能触发反馈抑制，导致光抑制和糖信号胁迫等问题。这些胁迫会减缓卡尔文循环并抵消更强光合作用带来的益处。这种紧密的相互依存关系创造了研究人员所谓的“源-库-能量”优化挑战。

**核心酶遗传改良策略的比较分析**
为了克服这一点，遗传改良必须同时瞄准多个系统。重要的酶包括用于改善碳固定的Rubisco、用于增加淀粉合成能力的AGPase以及用于增强CO₂利用和能量效率的PEPC。Rubisco的低碳固定效率是一个核心问题，其固有的加氧酶活性导致大量固定碳被光呼吸消耗。针对这一瓶颈，遗传工程提供了一条可行的改造途径。例如，将GOC光呼吸支路引入马铃薯叶绿体，成功实现了在叶绿体内直接代谢部分光呼吸产生的乙醇酸并释放CO₂，在Rubisco周围制造了局部高CO₂环境。该技术显著降低了转基因植物的光呼吸速率，增加了净光合速率，并最终使块茎鲜重提高。此外，用来自细菌Rhodospirillum rubrum的II型Rubisco替代马铃薯内源Rubisco的尝试也取得了进展。研究证实，在0.5%-1.5%的高CO₂浓度环境下，这种改造使得马铃薯的生长和块茎产量达到野生型植物的水平，为Rubisco的靶向优化提供了另一条技术路线。除了这些具体的改造案例，RTCs中关键酶（Rubisco, AGPase）的遗传改良主要依赖三种主流的遗传改良策略——定点突变、异源表达和基于CRISPR-Cas的基因编辑——它们展现出不同的特点和应用场景。定点突变能够在不可入外源基因的情况下对酶的功能位点进行精确微调，具有高生物安全性，适用于现有品种的温和改良，但受限于低阳性突变率。从蓝细菌、C₄植物或其他物种中异源表达高活性酶可以突破RTCs固有的酶学限制，实现碳固定或淀粉合成效率的显著提升，但面临代谢兼容性差和审批复杂等挑战。基因编辑允许在多倍体RTCs中同时修改多个同源基因，实现酶表达在时空上的精确调控，具有高效率和稳定性，但需要全面的基因组信息和严格的脱靶检测。在实际育种中，对生物安全性要求高的快速品种改良首选定点突变，突破性性状创新优选异源表达，而大规模精准育种则利用基因编辑，同时组合策略可以平衡改良效果和操作效率。

**主要RTCs的个性化C₄/CAM途径工程**
另一项主要策略涉及用C₄或景天酸代谢（Crassulacean Acid Metabolism, CAM）的元件来转化或补充C₃途径。在叶肉细胞及类似维管束鞘的细胞中过表达关键的C₄酶——磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）、丙酮酸正磷酸二激酶（PPDK）和NADP-苹果酸酶（NADP-ME）——已在模式物种中显示出前景。同时，引入具有更高催化转换率的蓝细菌或红藻Rubisco，并结合类似羧酶体的纳米结构，可以显著减少加氧副反应。通过合成乙醛酸分解途径绕过光呼吸，在计算机模拟中可进一步提高净CO₂同化。建立功能性碳浓缩机制（Carbon-Concentrating Mechanisms, CCMs）构成了另一种关键方法。在叶绿体包膜上共表达碳酸氢盐转运蛋白和碳酸酐酶，可提高叶绿体内CO₂浓度，模拟藻类和C₄植物中的天然CCMs。同时，通过定点突变AGPase的别构位点或使用块茎特异性启动子来解除其调控，以加强储藏器官中的库强，确保固定碳被有效地分配用于淀粉合成，防止光合作用的反馈抑制。值得注意的是，引入C₄/CAM途径元件的策略应根据主要RTCs的基因组和光合特性进行定制。作为一种C₃-C₄中间型作物，木薯需要针对性增强其固有的CO₂再循环机制，而非从头构建C₄途径。对于纯C₃作物，基因组复杂的四倍体马铃薯更适合建立简化的碳浓缩机制。以储藏根库强为特征且为六倍体的甘薯，应在引入C₄/CAM元件的同时优化糖转运蛋白，以避免增强光合作用的反馈抑制。这种物种特异性的定制确保了C₄/CAM途径工程在RTCs中的效率和可行性。

**用于碳封存的根际和碳运输工程**
除了叶片层面的干预，根际工程提供了额外的碳封存机会。通过过表达苹果酸脱氢酶或蔗糖转运蛋白来增强羧酸盐和糖类的根系分泌物，可以刺激土壤微生物的碳固定和团聚作用。将PHA合成途径引入根系的合成生物学方法，可能在地下以可生物降解的生物塑料形式固定大量碳。例如，Rubisco亚基构成核心的CO₂固定酶，对其动力学进行工程改造可提高固定速率。活化因子如Rubisco活化酶（RCA）和Rubisco积累因子1（RAF1）确保Rubisco的最佳组装和活化，减少光呼吸损失。卡尔文循环调节因子优化下游反应以实现高效的碳流。C₄途径基因实现空间CO₂浓缩，最小化O₂干扰。转运蛋白如TPT促进光合产物的输出，而库相关基因增强块茎中淀粉和蔗糖的积累。在RTCs中，这些基因可以通过转基因策略进行修饰，以增加生物量、产量和土壤碳输入，支持气候变化胁迫下的可持续农业。通过整合多重CRISPR-Cas、基于GoldenGate的多基因组装以及在升高CO₂下的严格田间测试，开发“碳负性”的马铃薯、甘薯和木薯品种是可行的，这些品种不仅表现出更高的生产力，还能积极地为长期土壤碳储存和气候变化减缓做出贡献。相关基因列于表2。碳运输同样重要。加强糖转运蛋白的活性，可以改善韧皮部卸载，使碳更有效地进入发育中的块茎。此外，调控网络为改良提供了精确靶点。像miR172和miR156这样的miRNA在块茎发育和碳分配中发挥着重要作用。用CRISPR-Cas13等先进方法编辑这些通路，可能为促进碳储存和改善库发育提供高度靶向的方法。通过遗传工程方法优化Rubisco功能和光呼吸代谢途径，结合精准的田间水分管理以缓解叶肉导度限制，并辅以以生物炭和平衡施肥为核心的土壤碳封存技术，构成了一个从“光合源”到“土壤碳汇”的多层次技术体系。该体系为系统提升马铃薯的固碳和封存效率提供了明确的改造策略和实施路径。将代谢资源重新导向碳封存可能会改变植物的源-库动态，可能为有限的同化物创造竞争。因此，考虑这种重新分配是否可能无意中损害马铃薯对生物和非生物胁迫的韧性，或降低块茎的营养品质至关重要。

**通过改进RTCs的管理增强碳封存**
除了遗传改良，还必须使用多种优化的技术实践，因为它们已被证明能有效增强块茎作物的碳封存能力。在土壤管理方面，施用有机肥和绿肥可以直接增加土壤有机碳库，刺激根系生长，并增强土壤碳封存。例如，在马铃薯栽培中施用粪肥已被证明能改善抗病性和产量。进一步研究表明，有机无机肥配施优化了作物-土壤系统中光合碳的分配，显著促进了甘薯块茎中的碳积累。在种植制度方面，采用粮薯轮作已被证明能显著减少总碳排放和单位产量的碳足迹，从而提高系统层面的碳利用效率。在保护地栽培环境中，施用CO₂肥是提高光合效率的一种直接有效的方法。例如，在一项技术应用中，这种做法使甘薯产量提高了高达40%并缩短了生长周期。同时，在温室中使用物联网技术对光照、温度、水和肥料进行集成智能管理，可以为作物创造最佳的光合条件。这些外源管理方法通过协同优化源-库关系，为实现RTCs的低碳高产出生产提供了可行途径。

**增强RTCs碳封存对全球热带地区的重要意义**
在欠发达的热带国家，特别是在撒哈拉以南非洲和东南亚，RTCs因其耐旱、适应贫瘠土壤和管理需求低而被视为“保险作物”。它们是脆弱家庭和儿童粮食安全的基础。如前所述，RTCs的叶片光合效率通常低于典型的C₄作物。然而，当与保护性农业实践（如作物残体还田、补充有机肥和覆盖作物组合）相结合时，其可观的地下根系生物量和枯枝落叶可以显著增加SOC。非洲和亚洲的多项田间试验表明，基于RTCs的保护性农业可以显著提高SOC库存、改善土壤结构并提高作物产量。然而，这种“碳封存效应”并非自发产生：对木薯等作物的集约化种植或用于工业目的的单一栽培反而可能减少SOC。虽然从模式生物中得出的策略提供了理论框架，但它们在RTCs中的应用受到块茎基因组复杂、多倍体和杂合性的显著阻碍。因此，克服技术瓶颈，如基因型依赖性的难转化性和表型不稳定性，仍然是这些技术在大田环境中规模化应用的关键前提。作为世界上最大的发展中国家，中国在其热带和亚热带地区将RTCs作为重要的经济作物种植。在中国北方，马铃薯和甘薯是重要的主粮作物。通过秸秆还田、减少深耕、覆盖作物和增加有机质投入等技术，将RTCs纳入低碳农业管理体系，为中国的“双碳目标”下农业碳封存提供了一条实用途径。这种方法特别适用于坡地、水肥资源有限的地区和小农户系统。然而，与国际经验一致，中国必须在木薯生产工业化过程中建立同步的SOC监测框架，以避免因森林或草地转变为木薯种植园而产生的“碳债务”。对于联合国2030年可持续发展目标（Sustainable Development Goals, SDGs），RTCs同时为SDG 1（无贫困）、SDG 2（零饥饿）和SDG 13（气候行动）做出贡献。它们在脆弱地区保障粮食和收入安全的不可替代价值与SDG 1和SDG 2一致，而基于RTCs的实践，如土壤碳封存、恢复性农业和低排放农业技术，与SDG 13和SDG 15（陆地生命）相对应。实现长期气候效益将取决于政策激励、品种改良和优化的农田管理。总之，RTCs的碳封存价值并不依赖于短暂的、高的光合速率，而在于一个整合了土地管理、地下生物量积累、残体还田和防止土地退化的综合系统。因此，其重要性在于构建一个整合了“粮食安全、土壤健康和土壤碳汇”的综合路径，而不是替代具有高光能利用率的作物。

**结论**
RTCs在碳封存方面具有独特优势，这是由高效的源-库-流协调和专门的地下碳储存驱动的，并补充了其在全球粮食安全中的作用。关键的瓶颈，包括C₃途径的光合效率低下、源-库不匹配以及次优的田间管理，限制了其全部碳封存潜力。整合遗传工程与靶向农艺措施对于克服这些限制至关重要。未来的努力应优先考虑多重遗传修饰和特定地点的管理优化。通过利用RTCs的多功能价值，我们可以推进气候智能型农业，增强土壤碳封存，并为全球碳减排做出重要贡献。为推动RTCs的碳封存潜力，未来研究应优先考虑三个方向。首先，合成生物学驱动的途径工程：通过CRISPR多重编辑构建模块化的碳固定回路（如C₄酶盒、类羧酶体纳米结构、光呼吸支路），以优化CO₂同化和淀粉生物合成。其次，人工智能辅助育种：利用机器学习预测多基因修饰结果并通过高通量表型加速筛选高碳封存品种。第三，根际微生物组工程：通过操纵根系分泌物来招募固碳微生物和菌根真菌，以增强土壤碳稳定。这些遗传改良应与数字农业技术（基于物联网的监测、精准施肥）相结合，进行特定地点的管理。通过协同这些生物技术，RTCs可以作为一个“粮食安全-碳封存双用”系统，为气候智能型农业和全球碳中和目标做出贡献。