编辑 | 新锐恒丰研究院
来源 | 伊利诺伊大学
2018 年，全世界的人口达到了 76 亿。照这一趋势，在本世纪中期，全球人口总数将超过 100 亿。如果这一趋势成为现实，那么，一个很现实的问题就摆在了面前：谁来填饱我们的肚子？
植物通过光合作用将太阳光转化为能量; 然而，地球上的大多数作物都受到光合作用的困扰。今天，伊利诺伊大学和美国农业部农业研究局的研究人员在“科学”杂志上报道说，光合作用途径设计的作物在现有世界农艺条件下的产量提高了 40％。
首席研究员 Donald Ort（GEGC领导者/ BSD / CABBI），Robert Emerson 植物科学和作物科学教授说：“我们每年可以为美国中西部地区的光呼吸所消耗的卡路里喂饱 2 亿人。” “在全球范围内回收这些卡路里的一部分将大大有助于满足 21 世纪快速扩大的食品需求 - 由人口增长和更富裕的高热量饮食驱动。”
光合作用需要 核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶 - 加氧酶（RuBisCO）羧化核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP），但大多数植物如大豆，水稻和小麦（称为 C3 作物）都会出现光呼吸作用。在光合作用时，这种酶能够把空气中的二氧化碳变成糖分，成为植物体内的有机组成部分。然而，这种酶却并非完美——它不但能识别二氧化碳，还能结合氧气。而它与氧气的结合，则会生成一种有毒的代谢产物。
为了不让自己中毒，植物不得不采用一种叫做光呼吸（photorespiration）的生化通路，进行“排毒”。但这毕竟需要消耗能量，而且消耗得还不少！此外，光合作用辛辛苦苦积累下来的生物质（biomass），也会损耗 25%。据估计，对于大部分农作物而言，光呼吸所消耗的能量，对作物产量造成了 20%-50% 的损耗。
“光呼吸是抗光合作用，”作者 Paul South 说，他是农业研究服务的研究分子生物学家，他在伊利诺伊州的 RIPE 项目上工作。“它为植物带来了宝贵的能源和资源，它可以聚焦于光合作用，以产生更多的生长和产量。”
光呼吸通常需要通过植物细胞中的三个独立场所进行复杂的途径。科学家设计了替代途径来改变这一过程，大大缩短了行程并节省了足够的能源，使植物生长增加了 40％。这是第一次在真实的农艺条件下测试工程光呼吸固定装置。
为了确定替代的光呼吸途径是否能有效地提高 C3 田间作物的产量，我们测试了田间种植烟草中三种替代光呼吸途径。一种途径使用来自大肠杆菌乙醇酸氧化途径的五种酶; 第二种途径使用来自植物的乙醇酸氧化酶和苹果酸合酶以及过氧化氢酶; 第三种途径使用植物苹果酸合成酶和乙醇酸脱氢酶。
基因和蛋白质表达分析证实了引入的基因的表达和 RNAi 植物中天然转运蛋白的抑制。
试验结果：在温室筛选中，途径 1与野生型相比使生物量增加了近 13％。与野生型相比，途径 2 没有凸显其增产作用。途径 3 与野生型相比生物量增加18％（没有RNAi） ，24％（引入RNAi），这与光呼吸代谢的变化和更高的光合速率一致。
温室的环境得到了严格的控制，适合植物生长。在野外环境下，这些植物是否还能保持如此明显的增长？
事实上，在田野间生长的植物，比温室里长得还要好！研究人员们统计了两个生长季的生长数据，发现相比野生型，经过基因改造的植物（第三种通路），其生物质提高了 25% 以上。辅以 RNAi，增长更是超过 40%。此外，该途径在田间将光合作用的光利用效率提高了 17％。
经过两年多的重复实地研究，他们发现这些工程植物发育得更快，长得更高，生产的生物量增加了约 40％，其中大部分都发现在 50％ 以上的茎中。
该团队测试了他们在烟草中的假设：一种理想的作物研究模型植物，因为它比大田作物更容易遗传改良和测试，但与其他植物模型不同，它开发了一种叶冠，可以在田间进行测试。现在，该团队正进行这些研究，期望能提高大豆，豇豆，大米，马铃薯，番茄和茄子的产量。
“就像巴拿马运河是提高贸易效率的工程壮举一样，这些光吸收途径改变是植物工程的一项壮举，它证明了一种极大提高光合作用效率的独特方法，”RIPE主任 Stephen Long说道（BSD / CABBI） / GEGC），伊利诺伊州 Ikenberry Endowed 大学作物科学和植物生物学主席。
虽然这项技术可能需要十多年的时间才能转化为粮食作物并获得监管部门的批准。实现提高光合效率（RIPE）的工程是在比尔和梅林达盖茨基金会，食品和农业研究基金会（FFAR）的支持下，更有效地将太阳能转化为产量，从而可持续地提高全球粮食生产力，以及英国政府国际发展部（DFID）。
