近日，中国农业科学院生物技术研究所作物高光效功能基因组创新团队在光合合成生物学领域取得重要突破。该团队通过合成全新碳氮代谢耦合光呼吸旁路，实现了光呼吸过程的能量和碳氮的高效利用，为培育绿色、高产水稻开辟了新路径。相关研究成果发表在《植物细胞》（ The Plant Cell ）上。
水稻实验田。中国农科院生物技术所供图
碳三（C3）作物是指二氧化碳同化的最初产物是光合碳循环中的三碳化合物——3—磷酸甘油酸的植物，其光呼吸会造成约30%已固定碳的损耗。而碳四（C4）作物在二氧化碳同化时的最初产物是四碳化合物——苹果酸或天门冬氨酸。C3作物的光合效率和产量都明显低于C4作物。水稻、小麦、大豆等都是C3作物，如何降低C3作物的光呼吸，同时避免由此带来的碳氮代谢失衡问题，一直是科学界亟待攻克的难题，也对农业生产具有重要意义。
该研究采用“自上而下”的理性设计模式，在水稻中合成出两种全新的碳氮代谢耦合光呼吸旁路。该旁路能够在不释放二氧化碳的情况下，让叶绿体内的乙醇酸代谢产生草酰乙酸，从而促进氨基酸、能量和糖类的合成，显著提高水稻的光合效率和氮素利用效率。
田间实验表明，具有碳氮代谢耦合光呼吸旁路的水稻在正常生长条件下，产量比对照水稻提高19.0%，低氮条件下比对照水稻最高提高44.1%。这一研究不仅揭示了光呼吸旁路调控碳氮代谢的新机制，还为培育高产量、节肥、适应性强的水稻新品种提供了科学依据。
该研究得到国家重点研发计划和中国农业科学院创新工程等项目的资助。
相关论文信息：https://doi.org/10.1093/plcell/koaf015
