华南农业大学彭新湘课题组利用合成生物学技术创制水稻高光效新种质

2020年10月，华南农业大学彭新湘课题组在Molecular Plant上发表题为“A Synthetic Photorespiratory Shortcut Enhances Photosynthesis to Boost Biomass and Grain Yield in Rice”的研究论文，利用合成生物学技术创制了水稻高光效新种质。

研究利用优化后的叶绿体信号肽（RC2）将水稻乙醇酸氧化酶（OsGLO1）、大肠杆菌过氧化氢酶（EcCAT）、乙醛酸聚醛酶（EcGCL）和羟基丙二酸半醛还原酶（EcTSR）四个酶导入水稻叶绿体中，使光呼吸产生的部分乙醇酸直接在叶绿体内代谢释放CO₂，形成了类似C₄植物的CO₂浓缩机制。该途径的碳计量与植物光呼吸途径完全一致，因此亦可称为光呼吸捷径（以下简称GCGT捷径）。此捷径的引入显著提高了水稻的光合效率、生物量和产量。

光呼吸是植物绿色组织利用光能，吸收O₂并释放CO₂的过程，需要叶绿体、线粒体、过氧化物酶体和细胞质的共同参与，是C₃植物中仅次于光合作用的第二大代谢流。正常环境条件下，C₃植物的光呼吸可消耗掉光合产物的25%−30%，在逆境条件下（高温、高光、干旱等）这种损耗会更加严重。2019年该课题组在水稻中成功报道一条光呼吸代谢支路GOC支路，显著提高了水稻的光合效率、生物量和产量。GOC支路的总反应是将2分子的乙醇酸全部转变成CO₂释放于叶绿体。GCGT捷径是在水稻中成功创建的第二条光呼吸代谢支路，将2分子的乙醇酸转变成1分子的甘油酸和1分子的CO₂，与内源光呼吸途径一样回收了3/4的碳（图1），因此从碳计量比较，GCGT捷径相对于GOC支路更具优势。此外，GCGT捷径产生的H₂O₂比GOC支路少了2/3。

图1  GCGT捷径与GOC支路设计示意图

红色为引入的支路；黑色为光呼吸代谢途径

彭新湘课题组成功在水稻中创建了两条光呼吸代谢支路，均显著提高了水稻的光合效率、生物量和产量，并证明该表型的出现主要是由于在叶绿体内形成了类似于C₄植物的CO₂浓缩机制。但两条支路均出现结实率降低的问题，限制了其增产潜力的最大化发挥。本文对此问题进行了初步探索，通过转录组、生理生化分析表明结实率的降低与碳水化合物的转运不畅有关。因此指出，尽管提高光合效率毋容置疑可提高生物量和产量，但要大幅度提高作物的籽粒产量还要充分考虑光合产物的转运效率。因此，GCGT捷径应用于马铃薯、甘薯、木薯等块茎类作物可能会有更好的提升产量的效果。

亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室博士研究生王丽敏（现为仲恺农业工程学院特聘副教授）和博士后沈博然为该论文的共同第一作者，彭新湘研究员为通讯作者。华南农业大学刘耀光院士团队提供了多基因表达载体。该研究由广东省基础与应用基础研究重大项目(2019B030302006)、国家自然科学基金项目提供资助(31770256)。

论文链接：

https://www./molecular-plant/fulltext/S1674-2052(20)30353-1

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来源：Mol Plant