  文章的背景知识介绍： 光合作用是地球生命的基础，为植物生长提供动力并维持食物链，但其光能转换效率却低得出奇，作物中通常低于1%。这种低效率代表着巨大的改进机会，在全球人口增长、可用耕地面临气候变化压力以及农业需求随之增加的背景下尤为重要。虽然在提高作物产量的其他方面已取得实质性进展，但光合作用本身仍然是一个很大程度上尚未开发的改善领域。这主要是由于光合过程的复杂性，涉及大量基因和生化途径。与抗病性或株高等性状不同（这些通常可追溯至少数关键遗传变化，并能通过传统育种进行改良），光合作用的优化需要深入的分子理解和精确的遗传操作。直到最近，用于此类干预的工具和知识才变得可用，使得直接改善光合作用成为提高作物生产力的一个相对较新的前沿领域。 光合作用 能否被改善 ？ 近期的原理验证实验提供了令人信服的证据表明可以。这些研究探索了各种创新方法，从向植物系统引入新的生化途径到旨在提高光捕获或碳固定效率的遗传修饰。例如，实验已成功证明了工程化植物以更高效地利用光或同化碳，或绕过光呼吸途径，从而提高整体光合效率的可行性。这些突破性实验展现了增强光合作用的潜力，并为提高作物生产力开辟了新途径。 为何经过数十亿年的进化，仍有如此多的机会来增强光合作用？除了通常理解的植物进化主要为了繁殖和生存而非最大化光合作用和生产力的观点外，还有其他因素。气候变化，特别是大气二氧化碳水平的变化，使得当前植物的光合特性不太适应现代环境。增强核酮糖1,5-二磷酸再生已被证明可以提高C3植物的光合作用，这表明该过程可能尚未针对新的环境条件进行充分优化。此外，某些光合酶和结构的低效可能是进化的遗留问题。例如，Rubisco在氧气稀缺时进化，使得区分二氧化碳和氧气不那么关键。随着氧气变得普遍，提高Rubisco的二氧化碳特异性意味着降低其催化速率，可能使其陷入低特异性和低效率的状态。这些因素表明，受环境变化和进化历史塑造的当代光合系统，具有优化和提升效率的潜力。 本视角探讨了一系列有前景的提高光合效率的策略。此处描述的策略处于不同的发展阶段；一些已展示了原理验证，而另一些仍处于概念阶段，共同代表了该领域的最高水平。 将植物的光谱利用扩展至远红光 光是光合作用的能量来源。然而，大多数生物（包括植物）仅利用400至700纳米范围内的可见光子（即光合有效辐射范围）来驱动光合作用。这将太阳能的利用限制在到达地球表面的不足50%。长期以来，人们认为700纳米以上的光子没有足够的能量来支持有效的水氧化。然而，含有吸收远红光光谱区域色素的蓝细菌的发现显示了这一过程的可行性。因此，有人提出将植物的吸收光谱扩展至750纳米将带来约20%的光吸收增益，这对可用于生长的能量是一个可观的增加。利用远红光光子对作物高度相关，因为田间植株紧密相邻，到达下层叶片的光几乎全是远红光，目前无法用于光合作用，导致作物冠层底部的光合速率接近于零。因此，拓宽作物对远红光的吸收被认为是提高其生产力的一个有前景的策略。  如何实现这一点？尽管该策略尚未在植物中实施，其在蓝细菌中的成功为将其适应于作物提供了极好的起点。在光合作用初始步骤中高效利用远红光有三个关键因素： (i) 生物体捕获远红光的能力， (ii) 将此能量有效传递至光化学反应中心， (iii) 利用此能量进行电荷分离并稳定电荷分离态。 植物和藻类使用叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素捕获光。这些色素强烈吸收蓝光和红光，但不吸收远红光。然而，一些蓝细菌可以合成两种额外的叶绿素类型，称为叶绿素d和f，它们吸收光谱的远红光区域。这两种叶绿素与叶绿素a的不同之处在于四吡咯环的一个取代基中存在甲酰基。这也意味着单个酶就足以将吸收红光的叶绿素a转化为吸收远红光的叶绿素d或f。虽然叶绿素d合成的酶尚未被发现，但叶绿素f的合成酶已知，并已在无法进行远红光适应的蓝细菌菌株中成功异源表达，显示其可导致叶绿素f的产生。这些色素随后需要与光合蛋白配位以形成功能性色素-蛋白复合物。在远红光下，蓝细菌除表达叶绿素f合酶外，还表达一些/大多数参与色素结合的光合蛋白的旁系同源物。这些新型蛋白在特定位点对叶绿素f具有更高的亲和力。然而，已有研究表明，即使是典型的光合蛋白，如光系统I的组分，也能结合叶绿素f，并且植物的捕光复合物（与蓝细菌的完全不同）可以容纳叶绿素d和叶绿素f。 除了使用叶绿素d和f外，远红光也可以被红移的叶绿素a吸收。这些在光系统I（也包括植物中）中以少量存在，被称为“红移形式”。这些色素的远红光吸收光谱源于两个或多个叶绿素a之间的强耦合，这由决定色素组织的蛋白质调节。设计远红光叶绿素a结合位点也可以成为增强植物远红光吸收的策略，而无需额外的叶绿素类型。 光被吸收后，能量需要有效地传递到反应中心进行电荷分离。这一过程通过组织色素的蛋白质得以实现。植物光合单位——光系统I和光系统II是模块化组装体，其中一组色素-蛋白复合物充当天线，负责捕获光并将激发能传递至反应中心。该过程的效率取决于能量传递速率，因为更快的传递可减少能量损失。传递速率取决于色素间距离、相互取向、激发态跃迁偶极矩的大小以及它们的激发态能量分布。由于叶绿素d和f具有比叶绿素a更大的偶极矩，并且在所研究的蓝细菌复合物中色素组织基本保持不变，关键因素是激发态能量分布。在所有叶绿素a被吸收远红光的叶绿素取代的情况下（如蓝细菌Acaryochloris marina），并不影响激发能传递速率。相反，将少数远红光叶绿素整合到主要含有叶绿素a的复合物中，可能产生局部能量陷阱，减慢激发能传递速率并降低效率，正如在蓝细菌中所观察到的。因此，仔细规划低能色素的数量和位置对于确保吸收的能量有效传递至反应中心至关重要。这也需要设计修饰的复合物，其中特定位点对叶绿素d和f的亲和力得到增强。 反应中心中低能叶绿素的存在可能影响电荷分离效率，因为这些叶绿素需要执行与叶绿素a相同的功能，但激发态能量较低。这可能影响复合反应，原则上甚至可能增加光损伤的可能性。电子传递链中辅因子的中点电位调节可能是一个问题。这方面需要在蓝细菌中仔细研究，以了解它们是如何克服可能的问题的。然而，虽然这些因素对光系统II可能至关重要，但实验结果表明，含有叶绿素f的光系统I在反应中心仍有叶绿素a的情况下仍能非常高效地工作，这表明将光系统I的吸收移至远红光可能比光系统II更容易。 最后，设想是利用智能冠层概念在作物中实现远红光吸收，例如，在冠层下部逐渐增加对远红光光子的吸收。这允许更好地利用光，因为冠层上部的叶片（通常暴露在全日照下）吸收远红光没有优势。事实上，在上层冠层叶片中具有低能叶绿素可能会降低电荷分离的整体效率。相反，上部叶片缺乏远红光色素使得远红光能够穿透至冠层底部，那里叶片受光限制，光将被吸收并用于光合作用。为了在冠层中创建这种吸收梯度，可以再次从蓝细菌中汲取灵感。越来越多的能够进行远红光适应的物种正在被发现，这意味着这些菌株在暴露于白光时具有正常的、基于叶绿素a的光合装置，仅在暴露于远红光时才表达叶绿素f合酶以及具有增强叶绿素f结合能力的光合蛋白旁系同源物。这一过程由光敏色素控制，这是一种感应红/远红光比例并在需要时触发远红光相关亚基表达的光感受器。同样的控制机制随后应在植物中实施。 总之，虽然在植物光合作用中利用远红光仍有待实现，但对蓝细菌远红光光合作用不断加深的理解正在为这一应用铺平道路。 提高田间条件下光合作用的效率：减少作物冠层天线尺寸的案例 在C3植物冠层中，光合机制在约25%的最大太阳通量下达到饱和，这是限制这些物种生产力的主要因素之一。植物可能在光捕获上过度投入，并合成高水平的类囊体天线蛋白和相关叶绿素，因为这通过剥夺邻近植物的光照和养分来增加其自身的适应性。然而，由于这一性状存在于优良作物中，因此对单一栽培构成了主要缺点，因为在单一栽培中，所有植物都被期望具有相同的适应性和产量能力，以最大化耕地的生产力。 减少叶片叶绿素含量可能提供一种缓解单一作物田（即一次种植一种作物的田地）光竞争的手段，因为到达冠层下部叶片的光的水平和质量应更高且更均匀，从而提高整体光合性能和产量。确实，这一策略已在蓝细菌和微藻的多项研究中得到验证，尽管在高等植物中的相同方法产生了不一致的结果。例如，在烟草中减小天线尺寸，在高密度栽培条件下导致地上部生物量积累增加约25%。类似地，在高光条件下栽培的淡绿叶水稻基因型中观察到了有益效果。相反，少数使用叶绿素缺陷型大豆突变体的田间研究显示叶片质量积累和谷物产量显著下降。这些结果突显了该性状的复杂性，其受多种因素影响，包括涉及的基因/途径、叶片叶绿素减少程度、作物冠层结构以及环境和生长条件。  最近，使用了化学诱导的突变体happy under the sun 1来评估叶片叶绿素减少对大麦生物量积累和谷物产量的影响。hus1的淡绿表型是由于叶片叶绿素含量减少50%，这提高了光能转化为化学能的效率，而没有增加其对光抑制的敏感性。该突变在HvcpSRP43中引入了提前终止密码子，该基因编码负责将天线蛋白递送至类囊体膜的43-kDa叶绿体信号识别颗粒，其截断导致光系统天线复合物尺寸减小。此外，HvcpSRP43蛋白已被证明能够有效伴侣并稳定谷氨酰-tRNA还原酶（四吡咯生物合成中的限速酶），这使得捕光复合物插入类囊体与叶绿素生物合成相协调。HvcpSRP43在叶绿体中的双重作用使得hus1成为一个相当特异的突变体，因为减小的天线尺寸与四吡咯生物合成途径活性显著降低相耦合，这反过来抑制了高毒性四吡咯中间体的形成和多效性光氧化损伤。有趣的是，当hus1突变体在标准密度田间条件下生长时，积累的生物量和谷物量与对照品种Sebastian相当。 这些发现表明，当栽培田中资源竞争施加的选择压力减弱时，作物确实可以显著减少对天线蛋白和叶绿素生物合成的投入，而不会对生产力产生不利影响。 尽管在其他物种（包括水稻）中也报告了显示特征性淡绿表型的cpsrp43敲除突变体，但选择hus1突变体进行研究是因为大麦中有一整套功能基因组学工具可用，使其成为在真实田间条件下测试多种改善光合效率策略性能的理想模式作物。例如，由嘉士伯研究实验室开发的基于液滴数字PCR技术的快速鉴定核苷酸变异方法，为在优良春大麦品种RGT Planet中快速鉴定和分离目标遗传变异提供了一种新策略。多亏这种方法，将有利表型赋予携带多个其他由化学诱变引入的单核苷酸多态性的低商业价值老品种的突变（如hus1突变体在HoTTLLUS群体中分离的情况），可以转移到具有商业竞争力的品种中，而无需进行多次耗时（数年）的回交。这种方法将使得有可能将过去二十年因在模式物种和作物中操纵光系统天线尺寸而报告的生物量和谷物产量的主要增益，转化为农场上的产量增加（之前的测试主要在温室或小规模田间试验中进行）。为此，需要与植物育种家、农学家和作物生理学家合作，选择最合适的产量测试方案，包括避免边缘效应（可能扭曲产量估计）的小区设计、确定生长植物密度以及定义产量的标准参数。这样仔细的田间试验也将允许测试被认为与淡绿表型相关的其他主要优势。独立研究预测，例如，减少叶绿素含量应提高氮素利用效率。类似地，大豆中的模拟预测，叶绿素含量减少50%可节省高达9%的叶片氮。此外，淡绿作物的发展以及随之增加的反照率（即反射光比例），已被证明可以减轻全球气候变化引发的热浪影响，并通过降低冠层温度来提高水分利用效率。后一方面得到了以下发现的支撑：某些叙利亚大麦地方品种和以色列的一些野生大麦品系（适应稳定和非常干燥的环境），其特征是淡绿叶。 总体而言，现在是将光合作用研究转化到田间的时候了，使用大麦作为模式作物，该作物也能利用大型自然遗传多样性集合的可获得性。许多公共资助的组织，如“基因组到田间倡议”和国际农业研究磋商组织，正在进行可能有助于实现这一目标的田间试验，中期目标是将这些知识转移到其他谷物中，包括小麦，鉴于高等植物中光合机制的高度保守性。 加速非光化学猝灭动力学以提高光合效率 光合作用需要光保护。过量的光会增加叶绿素单重激发态的寿命，导致更长寿命（约毫秒）的叶绿素三重激发态和光抑制性单线态氧的产率更高。叶绿素三重激发态和单线态氧可以被类胡萝卜素猝灭，但普遍存在的第一道防线是光系统级别的单重激发态退激发以及将过量吸收的光能作为热量耗散——这是一套被测量（并称为）叶绿素荧光的非光化学猝灭的机制。 非光化学猝灭包括几个根据弛豫动力学和分子参与者定义的组分。在植物中，快速诱导的、能量依赖的猝灭需要光系统II亚基S、玉米黄质和跨类囊体pH梯度，调节在秒到分钟时间尺度上诱导和弛豫的猝灭。一种较慢的依赖玉米黄质但不依赖跨类囊体pH梯度的猝灭在数分钟的时间尺度上运作。玉米黄质由紫黄质脱环氧化酶产生，并由玉米黄质环氧化酶在类胡萝卜素循环中移除。非光化学猝灭最慢的组分包括光保护的qH和光抑制的qI，它们在小时的时间尺度上弛豫。这些高度保守的非光化学猝灭机制协同作用，提供了应对不同强度和时标的光波动的灵活性，以维持植物的适应性。 尽管非光化学猝灭保护光合装置免受过量光的影响，但它也可能与光合效率竞争并限制光合效率，尤其是在波动光下，模型显示非光化学猝灭的慢弛豫可能限制二氧化碳同化达30%。光强度随时间、局部遮荫以及最显著地在密集作物冠层的阳光斑点移动而变化。在动态、与田间相关的光条件下优化光合作用的光反应是一个快速扩展的、具有重要农艺潜力的领域。 通过过表达紫黄质脱环氧化酶、光系统II亚基S和玉米黄质环氧化酶的转基因方法（以下称为VPZ）加速非光化学猝灭的弛豫，在小规模田间试验中使烟草生物量增加了约15%，优良大豆种子产量增加了约20%。尽管仍需要进行大规模、多地点田间试验，但这些结果指出非光化学猝灭作为作物改良的一个新的潜在靶点。然而，VPZ方法并未在温室和模拟波动光条件下增加拟南芥的生物量或马铃薯的产量。 在此，考虑了不同植物中VPZ结果差异的可能解释。模型表明，三种蛋白质的化学计量是关键，因此，可能需要根据物种天然的qE和qZ能力优化VPZ构建体的表达。具有较慢非光化学猝灭弛豫时间常数和较高产量潜力的植物品种可能从VPZ工程努力中获益最大。除了物种特异性因素外，迄今为止的文献表明，可能需要几个关键表型特征才能通过优化非光化学猝灭实现更高的光合效率。 在所有已发表的VPZ研究中，转化体在高光适应非光化学猝灭归一化后，表现出比野生型更快的非光化学猝灭弛豫。然而，仅在烟草和两个大豆品系中，更快的弛豫还与维持野生型高光非光化学猝灭能力相关。换句话说，VPZ大豆、拟南芥和马铃薯品系的最大高光非光化学猝灭也有所增加（大豆除外），这与其相对于野生型的生物量减少相关。低光下实际残余非光化学猝灭幅度仅在烟草、特定大豆品系和拟南芥品系中降低。重要的是，烟草、大豆和拟南芥品系在波动光下表现出光系统II有效量子产额ФPSII的增加。 虽然较少的残余非光化学猝灭和更高的波动光下ФPSII可能是改善非光化学猝灭动力学的有力指标，但显然这些性状不足以增加生物量。将二氧化碳同化的气体交换测量与叶绿素荧光测量在田间相关条件下耦合的严格表型分析是必要的，以证明更快非光化学猝灭动力学的影响，例如，使用2000/200 μmol光子m-2 s-1波动光测定法，在复制作物冠层经历的光波动的同时最大化非光化学猝灭的倍数变化。测量类胡萝卜素循环的昼夜脱环氧化状态或高光到低光转换后的再环氧化速率，可能是缓解较慢弛豫的非光化学猝灭qZ组分的额外有用代理。最近对黄藻藻Namochloropsis的玉米黄质环氧化酶过表达品系的分析表明，对于某些物种，可能在加速非光化学猝灭弛豫的同时，还有空间减少整体非光化学猝灭能力，突出了物种特异性表型研究的重要性。 非光化学猝灭的自然变异可能提供非转基因的途径来育种更快的非光化学猝灭动力学和更高的光合效率。非光化学猝灭的全基因组关联研究先前揭示了水稻亚种和拟南芥生态型之间非光化学猝灭的多样性。值得注意的是，两项研究均在光系统II亚基S基因上游的顺式调控区域内鉴定了它们最强的效应数量性状位点，这表明非光化学猝灭是一个受选择影响的性状。一项研究测量了155个非洲水稻种质的气体交换和叶绿素荧光表型，发现地上部生物量与非光化学猝灭诱导能力呈负相关，与非光化学猝灭弛豫速率呈正相关，这与转基因VPZ表型与生物量变化相关的特征一致。 在多年间使用41个嵌套关联作图大豆群体亲本、751个不同玉米种质和320个多亲本高级世代互交玉米品系的几项大豆和玉米研究中，已经确定了用于育种改善光合效率的潜在位点。然而，在大豆中，非光化学猝灭弛豫似乎几乎没有定量变异，品系间的光合差异主要归因于Rubisco激活的差异。类似地，两项玉米研究均未明确解析低光残余非光化学猝灭的稳健定量变异，尽管不同假定数量性状位点在非光化学猝灭能力和ФPSII维持方面的差异表明，可能存在微调光捕获效率的多种途径。然而，作物种质筛选尚未揭示出与转基因VPZ植物相当的非光化学猝灭弛豫差异。这样的结果可能表明，与非光化学猝灭相关存在权衡，或者更简单地说，在这些作物中尚未选择更快的非光化学猝灭弛豫。 进一步改善非光化学猝灭动力学的努力应包括加速从缓慢可逆的非光化学猝灭类型（qH和qI）中恢复。核表达编码光系统II D1亚基的psbA基因以最小化与热胁迫相关的qI，就是一种已在多个物种中证明成功的方法。此外，在使用基因编辑技术编辑作物内源性VPZ和其他非光化学猝灭相关基因以实现所需非光化学猝灭表型方面看到了巨大潜力。微调VPZ表达和测试不同的VPZ直系同源物可能是使基于非光化学猝灭的光合作用改进更接近其理论潜力的其他途径。 增加细胞色素b6f复合物的丰度以加速电子传递速率 叶绿体电子传递速率是限制光合作用的主要因素。经典的稳态定量模型通过考虑在特定条件下哪些生化反应是限制性的，来预测一系列细胞间二氧化碳分压下叶片的光合速率。在C3光合作用的Farquhar-von Caemmerer–Berry模型中，在非饱和二氧化碳下碳代谢（二氧化碳可用性、Rubisco功能）限制同化，而在饱和光和饱和二氧化碳下（细胞间二氧化碳分压高于500 μbar）电子传递限制同化。根据该模型，在当前大气二氧化碳分压下（420 ppm，大致对应于200 μbar细胞间二氧化碳分压），C3光合作用主要受限于向Rubisco的二氧化碳供应，但当大气二氧化碳超过600 ppm时，这种限制预计将转变为电子传递。在C4光合作用的生化模型中，在饱和光和饱和二氧化碳下（细胞间二氧化碳分压高于150 μbar），电子传递、Rubisco功能以及RuBP和磷酸烯醇式丙酮酸的再生可能共同限制同化。两种光合途径之间二氧化碳饱和水平的巨大差异是由于C4光合作用的代谢C4循环作为碳浓缩机制。C4循环在叶肉和维管束鞘两种细胞类型中运作，并增加维管束鞘（Rubisco所在处）的二氧化碳分压，使Rubisco以最大羧化速率工作。基于这些光合代谢模型的作物模型预测，对于具有增强电子传递能力的工程作物，小麦产量可增加高达5.2%，玉米产量可增加高达14.3%。 对具有遗传减少电子传递组分的植物的早期实验确定类囊体细胞色素b6f复合物是电子传递速率的关键调节因子。该复合物催化质体醌氧化（被认为是电子传递最慢的反应），并结合跨类囊体膜的质子易位，建立用于ATP生成的质子动力。低的囊腔pH使质子易位更困难，从而减慢细胞色素b6f活性——这种现象称为光合控制。通过细胞色素b6f的光合控制在光保护中起重要作用，通过限制流向光系统I的电子流，从而匹配光反应的输出与碳代谢消耗ATP或NADPH的速率。因此，光合控制代表了一种协调电子传递和碳代谢相关光合限制的分子机制。 自细胞色素b6f被确定为电子传递的瓶颈以来，努力一直集中在缓解这一限制上。在高等植物中，该复合物由七个必需亚基组成，其中Rieske FeS和PetM是核编码的。通过过表达petC基因来增强Rieske FeS亚基的含量，已被确立为在C3和C4植物中增加细胞色素b6f丰度和活性的方法。转基因植物中复合物丰度的增加已通过对叶片中复合物多个亚基和分离类囊体中整个复合物的免疫检测得到证实。在过表达Rieske FeS的植物叶片分离的类囊体膜中也检测到细胞色素f活性的升高。 在模式C3和C4植物拟南芥和狗尾草中增加细胞色素b6f的丰度，导致通过光系统I和光系统II的电子传递速率更快。此外，与模型预测一致，电子传递能力的提升使两种模式物种的二氧化碳同化速率升高。这些结果证实了细胞色素b6f是电子传递的瓶颈，并且在饱和光和饱和二氧化碳下，电子传递限制C3和C4光合作用的速率。在确定通过遗传工程增加细胞色素b6f含量是改善光合作用的有前景途径后，Rieske FeS的过表达已在模式C3和C4作物烟草和高粱中进行了测试。在具有增强细胞色素b6f丰度的烟草中，未检测到稳态二氧化碳同化速率的差异，仅检测到电子传递速率的瞬时增加（在辐照度增加时表现为质体醌在光系统II QA结合位点的更快再氧化）。而在高粱中，增加细胞色素b6f含量不影响电子传递和二氧化碳同化的稳态速率，但确实加快了光合作用的诱导（长时间黑暗后光诱导的光合作用激活过程），并在温室条件下刺激了生物量和谷物产量。总体而言，模式作物中Rieske FeS过表达的结果表明，稳态电子传递速率不再主要受细胞色素b6f限制。 作物驯化和早期育种期间，光合速率已得到显著改善。因此，可以设想，对最大植株和最高产量的人工选择可能无意中增加了Rieske FeS含量，并改善了作物中的稳态电子传递能力。然而，高粱中Rieske FeS的过表达仍通过二氧化碳同化的瞬时增加提供了更高的产量，这突显了在动态光环境中研究作物光合作用限制的必要性。展望未来，更好地理解电子传递过程也至关重要，特别是在C4植物中，其中叶肉和维管束鞘叶绿体的电子传递链（在其组成和输出上不同）协同支持跨两种细胞类型的生化途径的无缝运作。细胞色素b6f是第一个通过遗传工程成功缓解的电子传递主要瓶颈，证明了这种方法用于作物改良的可行性。开发具有更详细和机制性描述电子传递的模型，将有助于识别新的优化电子传递以提升作物生产力的靶点。 改善卡尔文–本森–巴沙姆循环 卡尔文–本森–巴沙姆循环在20多亿年前进化而来，可以说是地球上最重要的途径，它从大气中捕获二氧化碳并将其转化为有机分子，这些分子直接用于合成类异戊二烯、蔗糖、淀粉、苯丙烷类、硫胺素和核苷酸，为我们星球上的生命提供了基础。CBB循环是超过85%的植物（称为C3物种）固定大气二氧化碳的主要生化途径，因为该循环的第一个稳定产物是三碳化合物——甘油酸3-磷酸。自从CBB循环被阐明以来的70年里，已证明其在自然界中从蓝细菌到最大的陆生植物高度保守。CBB循环涉及11种酶，分为三个阶段：由Rubisco催化的羧化、还原和RuBP再生。在光饱和和二氧化碳限制条件下，Rubisco活性是通过CBB循环进行碳固定效率的主要决定因素。然而，随着大气二氧化碳水平上升和光强降低，这种平衡发生转变，使得催化二氧化碳受体分子RuBP合成的CBB循环还原和再生阶段变得限制。 改善光合作用已被确定为增加作物产量的目标，基于理论、模型和实证研究。遗传学和生物化学的复杂性使Rubisco酶成为一个具有挑战性的操作靶点。尽管如此，改善光合作用的主要努力都集中在通过直接和间接方法提高Rubisco活性。直接方法包括蛋白质工程、定向进化、自然变异筛选和转基因植物中的表达操纵。引入来自藻类和蓝细菌的二氧化碳浓缩机制以及工程合成的旁路途径以绕过光呼吸，是正在采取的间接方法，并显示出一些前景。本节将重点关注CBB循环中除Rubisco以外的反应；关于Rubisco的讨论见Carmo-Silva的章节。 在20世纪90年代，反义技术证明Rubisco并非在所有条件下都完全控制二氧化碳同化，并确定了景天庚酮糖1,7-二磷酸酶、果糖1,6-二磷酸醛缩酶和转酮醇酶作为改善光合作用的有前景靶点。基于这些研究，转基因过表达方法表明，增加SBPase水平可以改善藻类和多种植物物种（包括烟草、小麦和拟南芥）的光合作用和生长；相反，在水稻中未观察到积极效果。此外，发现具有增加SBPase活性的番茄植株更耐寒，光合能力增强。烟草中FBPA的过表达也对光合作用和生物量产生积极影响，在番茄中观察到在最佳和次优温度下种子重量的增加。将蓝细菌的双功能CBB循环酶SBPase/FBPase引入烟草植物、生菜和大豆（在升高的二氧化碳下）也改善了二氧化碳同化和生长。 通过引入在CBB循环外起作用的额外蛋白质也实现了RuBP再生的改善。这种方法的例子包括在烟草中将SBPase和FBPA的表达与ictB（一种先前被证明能改善二氧化碳同化的功能未知的蓝细菌膜蛋白）或甘氨酸脱羧酶系统的H亚基（显示可能通过刺激光呼吸循环和减少中间产物对CBB循环的负面影响来增加二氧化碳固定）相结合，这导致光合作用和生长比单基因操作有进一步改善。过表达内源性SBPase酶或蓝细菌双功能SBPase/FBPase，与藻类细胞色素c6蛋白一起，不仅在田间条件下改善了光合作用和产量，还提高了水分利用效率。最近的一个例子是烟草植物中SBPase与胞质FBPase的共过表达，导致生物量、株高、茎粗和荚果重量的改善，但在水稻中共过表达Rubisco与SBPase并未改善光合作用。在响应更高水平的BZR1转录因子而增加一组CBB循环基因表达的植物中观察到增强的光合能力。这一结果表明同时过表达这些酶可能刺激CBB循环。 重要的是，随着大气二氧化碳上升，理论模型预测碳同化的限制从Rubisco转移到RuBP再生。因此，预计改善RuBP再生的修饰将在升高的大气二氧化碳下刺激光合作用和产量。这得到了使用在自由空气二氧化碳富集设施中生长的植物的实验证据的支持；当在585 ppm二氧化碳下生长时，过表达SBPase的转基因烟草植株在升高的二氧化碳下具有更大的产量增加。当同时操纵二氧化碳和温度时，在升高的二氧化碳下，大豆中蓝细菌双功能FBPA/SBPase的转基因过表达能防止温度诱导的产量损失。这些结果表明，改善RuBP再生是一种可用于减轻气候变化对产量影响的方法，也证明了在未来气候条件下测试粮食作物的操作的重要性。 动力学通量和多尺度建模的进展为如何进一步增强CBB循环提供了新的预测，应用快速高通量和迭代方法对于识别实现光合作用改善的最佳候选者至关重要。合成生物学可能提供一条途径，构建一个完全合成的、更高效的二氧化碳固定途径，与内源性循环并行运作，或将改进的酶引入现有循环中运作。同时，能够识别参与调控CBB循环基因表达的遗传因子和机制的新方法，将支撑应用基因编辑技术修改该途径。 卓越、整合且复杂：改善作物中Rubisco的路径 Rubisco不完美但却独特且卓越。它在RuBP的羧化过程中催化一系列相当复杂的反应，并且能与氧气反应而非二氧化碳，导致糖磷酸底物的氧化。它是唯一使用属于植物中心代谢组成部分的底物和产物，并且与CBB循环相容的羧化酶。因此，Rubisco负责将大气中的二氧化碳同化为糖，从而使地球上的生命成为可能。自其发现以来，Rubisco的缺陷一直是研究主题和改良目标。由于该酶以相对较慢的速率羧化RuBP，植物投入大量资源（特别是氮和碳骨架）在作物叶片中制造足够丰度的Rubisco，以支持足够的光合二氧化碳同化速率和植物生长。Rubisco的生物发生（包括合成和组装成植物中存在的十六聚体L8S8形式）本身依赖于几种辅助蛋白，进一步增加了农业投入的需求并影响资源利用效率。因此，虽然足够的Rubisco丰度是旨在改善光合作用策略中必要的考虑因素，但需要与确保资源的有效利用相平衡，以符合可持续农业实践。 对Rubisco催化多样性的调查表明，与复杂反应机制相关的权衡限制了Rubisco改进的范围。最近的系统发育分析表明，尽管Rubisco属于进化最慢的1%的酶之一，但其持续进化与C3植物中催化效率的提高以及叶片水平二氧化碳同化和光合氮利用效率的提高相关。令人兴奋的是，使用依赖Rubisco的大肠杆菌菌株进行的深度突变扫描显示，环6（折叠在催化位点上并参与底物结合和催化）的几个高度保守残基可以在不影响催化的前提下发生突变，这表明未来有可能针对这些残基的组合进行Rubisco工程努力。 Rubisco的催化位点位于两个大亚基的界面，因此，RbcL被认为是催化多样性的主要来源和工程努力的主要目标。然而，尽管远离催化位点，仅仅Rubisco小亚基序列的几个变化就能改变Rubisco的催化特性。RbcS在决定叶片中Rubisco丰度和调节催化效率中的作用最近得到了综述，该综述强调了RbcS作为改良靶点的兴起，随着工程方法变得更加稳健和广泛适用，其可行性日益增强。用更优版本（如在红藻中发现的）替换作物植物的Rubisco是令人兴奋的，但也具有挑战性，因为需要表达足够水平的RbcS、RbcL和相容的辅助蛋白。更直接的解决方案可能是在我们知道需要哪些特定残基时，使用快速发展的基因编辑技术突变特定残基以增强催化。 虽然Rubisco的丰度和催化特性决定了给定叶片的最大羧化速率，但作物中Rubisco的活性受到与Rubisco活化酶相互作用、翻译后修饰和叶绿体基质环境（可迅速响应叶片周围动态环境条件变化）的调节。例如，在波动光条件下，光合、生化（包括Rubisco调控）和/或扩散限制可能影响光合效率，取决于遮荫和全日照时期的持续时间、频率和强度。 Rubisco活化酶是一种分子伴侣，它将ATP水解与受抑制的Rubisco催化位点的构象重塑耦合，释放天然存在并紧密结合且非生产性地结合在酶上的糖磷酸衍生物。Rubisco活化酶本身受叶绿体基质中氧化还原状态、ATP和Mg2+可用性的调节，并且一些Rubisco活化酶亚型在波动光下更有效地激活Rubisco。这种伴侣蛋白是热不稳定的，其恢复Rubisco活性的能力在中等高温下受到影响。在理解Rubisco活化酶激活Rubisco的机制以及鉴定更耐热和更有效的Rubisco活化酶亚型方面取得的进展表明，在当前和未来更温暖的气候中，改善Rubisco调控以最大化羧化是可能的。我们对Rubisco活化酶、翻译后修饰和叶绿体环境对Rubisco调控的理解以及糖磷酸衍生物及其磷酸酶的作用存在重大未知。解决这些问题将有助于识别成功的改善Rubisco策略，以可持续地提高作物生产力和气候韧性。 重要的是，为了最大化影响，任何改善光合作用的方法都应整体考虑，并且需要堆叠光合作用各反应和子过程的改进，以确保其他过程不会成为限制因素。例如，叶绿体电子传递也对热胁迫敏感，并已被证明与Rubisco激活共同限制光合作用。优化作物植物中的Rubisco活性需要考虑Rubisco丰度、Rubisco催化特性及其活性调控，以及Rubisco活性如何与其他植物过程相互作用和协调。与CBB循环中RuBP再生的相互作用是最明显的，但Rubisco的丰度和特性应考虑与中心代谢和专门代谢的整合，以及特定作物冠层结构、作物发育过程中各冠层叶片的需求，以及将存储在Rubisco中的氮和碳骨架重新动员到待收获的作物产品中。 将二氧化碳浓缩机制引入植物 许多光合生物（包括大多数作物）的生长受到Rubisco二氧化碳同化速率慢以及与氧气在活性位点竞争导致能量浪费的光呼吸的限制。为应对Rubisco的缺陷，几乎每个光合分支都进化出了CCMs，为Rubisco提供浓缩的二氧化碳，并优先驱动二氧化碳同化而非光呼吸。根据生物物理或生化过程，CCMs可大致分为两类。生化CCMs最初将二氧化碳捕获为有机代谢物，然后在Rubisco附近再转化为二氧化碳，包括执行C4、C2和景天酸代谢光合作用的真核物种。生物物理CCMs引导或主动泵入无机碳以增加细胞内无机碳库，包括原核自养生物、真核藻类、角苔和海草。所有蓝细菌和一些化能自养细菌将Rubisco隔离在称为羧酶体的蛋白质壳内，而几乎所有藻类和一些角苔则将Rubisco浓缩成称为蛋白核的微区室。羧酶体和蛋白核都获得碳酸氢盐，并通过局部碳酸酐酶活性迅速脱水，以促进Rubisco活性位点的二氧化碳富集。 将生化或生物物理CCMs引入C3作物被认为是一种高风险高收益的工程策略，以增强作物产量和韧性。模型估计，源叶光合效率的理论增益范围为30%至60%，这是工程方法预测的最大改进之一。尽管将此类改进转化为生产力的程度存在争议（例如，也需要考虑库需求以充分利用源增强的重要性），但最近的一个保守模型预测，成功引入蓝细菌CCM可使小麦产量增加8%。然而，在C3植物中重建任何功能性CCM仍然是一项复杂的努力，工程每种CCM类型都面临特定的挑战。一般来说，对不同CCMs机制理解的进展与持续的工程努力并行进行，类似于设计-构建-测试-学习循环。 将生化CCMs引入C3植物的研究工作主要集中在工程化C4途径上。据估计，C4途径可将Rubisco周围的二氧化碳水平提高到环境水平的10倍，这为C4作物（如玉米和甘蔗）提供了更高的光合效率、生长速率，在某些情况下比C3作物更高的水分利用效率。这项工作很大程度上由C4水稻项目推动，该项目专注于将模式C4作物玉米的专门解剖和生化性状引入水稻。因此，C4工程师面临两个复杂挑战：构建具有减少脉间距和叶肉与维管束鞘细胞之间增加组织的“Kranz-like”C4叶片解剖结构，以及进行生化重调控以实现细胞特异性蛋白表达的适当水平（例如，将Rubisco隔离在维管束鞘叶绿体中）。尽管参与Kranz解剖结构发展的因素尚未完全了解，工程生物学的进展已在重建水稻中的C4生物化学方面取得了令人兴奋的进展。这包括生成和应用叶片细胞特异性表达系统，使得现在可以从单个构建体在水稻中共表达几种关键C4蛋白并适当定位。现在注意力也扩展到景天酸代谢和C2途径的工程潜力。景天酸代谢途径可以促进增加的耐旱性，而C2工程提供了C4途径的一些益处，但解剖学修改较少。 最有效的生物物理CCMs是基于羧酶体的CCMs和基于蛋白核的CCMs，它们可分别将Rubisco周围的二氧化碳浓度提高高达1000倍和40倍。生物物理CCMs也在单个细胞内运作，因此与引入C4途径相比，转移到C3叶片叶肉细胞可能更简单。基于羧酶体的CCMs一直被预测能增加C3作物的产量增益，部分原因是蓝细菌拥有已知最快的I型Rubisco，其羧化周转率高达C3物种的五倍。迄今为止，在理解参与羧酶体组分的成分和在植物中重建α-和β-羧酶体方面取得了良好进展。最近，在烟草叶绿体中重建了来自化能自养菌Halothiodicella neapolitanus的α-羧酶体，其中包含活性的异源Rubisco和碳酸酐酶。然而，细菌中的功能性羧酶体CCMs仍需要主动摄取碳酸氢盐以及碳酸酐酶活性仅限于羧酶体。因此，测试羧酶体是否能增强植物中的生长，需要去除天然叶绿体碳酸酐酶活性，并在叶绿体被膜上引入功能性碳酸氢盐转运蛋白。尽管后者仍然是一个长期存在的挑战，但测试植物中活性碳酸氢盐转运蛋白和通道功能性的新筛选工具可能有助于在这一领域取得进展。 蛋白核CCMs仅存在于真核生物中，并且可能是全球最丰富的CCM类型。蛋白核比羧酶体大得多，并且具有高度多样化的形态，这表明有许多方法可以实现蛋白核形成。蛋白核CCM在模式衣藻Chlamydomonas reinhardtii中得到了最好的理解，其蛋白核具有三个结构特征：凝聚Rubisco的类液相分离基质、源自类囊体膜并穿过基质以供应无机碳的蛋白核小管，以及围绕基质起二氧化碳扩散屏障作用的淀粉鞘。模型预测，在C3植物叶绿体中构建功能性衣藻蛋白核CCM可将二氧化碳同化速率提高达3倍。蛋白核CCMs不提供羧酶体CCMs的高羧化效率，但基于迄今为止表达的蛋白核CCM组分的适当定位，可能更易于植物相容。此外，蛋白核CCMs不需要去除叶绿体碳酸酐酶活性，并且至少在环境二氧化碳水平下不需要主动碳酸氢盐转运。迄今为止，在拟南芥中已实现了Rubisco凝聚成“原蛋白核”基质，正在努力重建剩余两个结构特征。令人兴奋的是，最近在硅藻和角苔中的工作表明，可能存在多种解决方案在植物中实现功能性蛋白核CCM，例如，使用蛋白核蛋白壳代替淀粉鞘。未来的工作可能涉及创造性的合成策略，借鉴所有CCMs的各个方面，例如与蛋白核耦合的原核碳酸氢盐转运蛋白，或位于单个叶肉细胞内的生化C4途径，其中脱羧发生在修饰的叶绿体羧酶体而非维管束鞘中。 C3到C4的转变及其改善光合作用的潜力 本节旨在简要概述光呼吸作为光合效率的限制因素，C4光合作用通过C3-C4中间体作为对低大气二氧化碳条件的适应而进化，以及将C4光合作用和光呼吸旁路引入C3植物作为提高光合效率的手段的努力。 C3植物光合作用中光能转化为生物量的效率受到Rubisco氧化反应速率的限制。在氧化反应中，CBB循环的受体分子RuBP被氧化而非羧化，其中一个产生的代谢物2-磷酸乙醇酸必须被迅速移除，并通过称为光呼吸的复杂途径再循环为3-磷酸甘油酸。将两分子2-磷酸乙醇酸再循环为3-磷酸甘油酸会释放一分子的氨和二氧化碳，也消耗ATP和还原力。据估计，光呼吸使主要C3作物的产量降低30%或更多。因此，抑制光呼吸具有增加作物产量的巨大潜力。 在过去的2000万年里，超过65个双子叶和单子叶植物谱系独立且趋同地进化出一种更高效的光合作用形式，称为C4光合作用。C4的频繁进化被认为是由大气二氧化碳浓度从>1000 ppm下降到约350 ppm所触发的。二氧化碳的减少伴随着大气的干燥，从而导致世界许多地区的干旱加剧。温暖温度、水分可用性降低和较低的大气二氧化碳是促进Rubisco氧化反应和降低光合效率的条件。 C4植物具有生化二氧化碳浓缩机制，可增加Rubisco位点的二氧化碳浓度，从而降低光呼吸速率。生化二氧化碳泵由一个称为Kranz解剖结构的特征性叶片解剖结构支持。Kranz解剖结构的特征是在叶脉系统周围形成两个同心层的光合细胞类型。内层（邻近维管组织）由维管束鞘细胞组成，这些细胞具有大的横截面积，并密集充满含有Rubisco并运行CBB循环的叶绿体。维管束鞘细胞通常主要进行循环光合电子传递，具有低的光系统II活性，因此线性电子传递也低。外层由叶肉细胞组成，这些细胞始终与维管束鞘细胞相关联并面向叶空气空间。叶肉细胞通常比维管束鞘细胞含有更少的叶绿体，并且它们含有很少或没有Rubisco。叶肉细胞叶绿体能够进行线性光合电子传递。维管-维管束鞘-叶肉细胞簇是C4叶片的基本单位，并在整个叶片中重复，形成V-BSC-M-M-BSC-V的重复模式。 叶肉细胞作为第一个碳固定细胞。来自叶空气空间的二氧化碳进入叶肉细胞，并被碳酸酐酶转化为碳酸氢盐。碳酸氢盐与磷酸烯醇式丙酮酸反应，由磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化，形成C4酸草酰乙酸。草酰乙酸进一步转化为苹果酸和/或天冬氨酸，这些物质沿着其浓度梯度扩散到维管束鞘细胞。在维管束鞘细胞中，苹果酸和/或天冬氨酸被三种脱羧酶之一（或其组合）脱羧。这些是线粒体NAD-苹果酸酶、叶绿体NADP-苹果酸酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶。主要的脱羧途径定义了C4亚型，尽管关于磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶是独特的亚型还是NAD-苹果酸酶或NADP-苹果酸酶的补充途径存在争议。C4碳泵将维管束鞘细胞中的二氧化碳浓度提高到>1000 ppm，从而将Rubisco的氧化反应抑制到低水平。然而，强调光呼吸在C4植物中是必不可少的，这由C4光呼吸途径突变体的致死表型所表明。 基于生理学、解剖学和生物化学数据以及计算模型，有人提出C4光合作用是通过C3-C4中间状态从祖先的C3状态逐渐进化而来的。基本概念是光呼吸途径失去细胞自主性，而是分为叶肉和维管束鞘细胞之间。光呼吸的二氧化碳（和氨）释放步骤（由线粒体中的甘氨酸脱羧酶催化）在叶肉细胞中停止功能，并仅限于维管束鞘细胞。维管束鞘细胞中的甘氨酸脱羧作用局部增加了该细胞类型的二氧化碳浓度，从而提高了维管束鞘叶绿体中Rubisco的效率。 据估计，在促进高光呼吸速率的条件下（高温、低叶片内部二氧化碳浓度，例如由于低气孔导度），二氧化碳在维管束鞘细胞中积累的水平是叶肉细胞中的2到3倍。甘氨酸脱羧酶催化的甘氨酸脱羧也会释放氨，这些氨必须被重新固定以避免氨毒性，并返回到叶肉细胞以维持氮平衡。有人提出，氨穿梭的碳骨架由叶肉细胞以苹果酸的形式提供，形成一个低水平的C4代谢循环。在这种情况下，苹果酸被NADP-苹果酸脱氢酶氧化为草酰乙酸。草酰乙酸随后转氨为天冬氨酸，然后天冬氨酸被转运回叶肉细胞。此外，一部分苹果酸可以发生脱羧，形成丙酮酸，丙酮酸可以转氨为丙氨酸，为叶肉细胞提供另一种氮转运机制。通过NADP-苹果酸脱氢酶的苹果酸氧化和通过NAD(P)-苹果酸酶的氧化脱羧都得到主要为氧化的NAD(P)库的促进。如果光系统II活性从维管束鞘细胞中丧失，将导致氧化的质体NADP+库增加。这反过来将进一步促进向完全C4碳固定的进化。 许多主要作物，如水稻和小麦，使用C3光合作用。鉴于C4光合作用的高效率，有人提出将这些作物转化为C4将带来巨大的产量增益。实际上，对具有大穗和低分蘖数的水稻新株型的分析显示，谷粒形成效率仅为42%，即大量幼穗未转化为成熟的、饱满的穗。这一发现表明水稻产量不受库大小的限制，而是受源强度（即叶片生产和输出光合同化物的能力）的限制。基于这些数据，估计如果适当增加源强度，水稻产量可以翻倍。为增强源强度，将水稻转化为C4植物被提出作为一种战略方法，具有将产量提高50%的潜力。这一提议得到了自由空气二氧化碳富增实验的支持。当优良水稻品种在比环境水平高200 ppm二氧化碳的自由空气二氧化碳富增条件下栽培时，它们产生了13%更多的谷物产量。这表明改善光合作用从而直接增强源强度有助于提高水稻产量。 在推进水稻的C4光合作用方面取得了显著进展。通过组成型表达玉米转录因子GOLDEN2或GOLDEN2-LIKE，实现了水稻维管束鞘中光合细胞器的激活。此外，五个最小C4循环基因已从单个构建体在水稻中成功表达。相应的基因产物被发现表达在正确的细胞类型和亚细胞区室中。碳-13标记显示，一些标记的碳通过磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶导向苹果酸和天冬氨酸。柠檬酸的快速标记表明引入的标记物向三羧酸循环移动，而在CBB循环中间物中未检测到标记。CBB中间物中缺乏碳-13标记表明，要么标记的苹果酸未进入质体基质，要么通过质体NADP-苹果酸酶的苹果酸脱羧作用很少。这些结果表明，单独表达核心C4代谢酶不足以建立功能性C4循环。C4水稻的进一步发展可能需要共表达细胞器代谢物转运蛋白（其中一些未知）。此外，防止最近固定的碳转向三羧酸循环至关重要，并且可能需要抑制维管束鞘细胞中的光合线性电子传递，以实现NADP-苹果酸酶脱羧所需的氧化NADP+库。最近，报道了一种用于在水稻中组织特异性表达多个转基因的单启动子TALE系统。在该系统中，单个细胞特异性启动子驱动合成设计转录激活因子样效应物的表达，该效应物可以与合成的TALE激活启动子结合。这意味着可以从单个细胞特异性启动子在所需细胞类型中表达多个基因。这一技术进步克服了先前与水稻转基因表达细胞特异性启动子选择有限相关的限制，并将促进转基因堆叠，考虑到实施该性状所需的大量转基因，这一点至关重要。 建立C4光合作用（或任何其他C3作物）的努力正在进行并显示出显著进展。与此同时，已探索了其他增加水稻和其他作物光合碳收益的方法。在水稻中引入合成光呼吸旁路与高达15%的产量增加相关，这接近于自由空气二氧化碳富增实验中观察到的情况。此外，在水稻中安装基本的C3-C4中间型光呼吸碳泵可能就足够了，因为代谢模型表明，C3-C4中间型光合作用在比C4更广泛的环境条件下增加碳收益，而C4主要在高光和高热条件下最有利。 操纵气孔特征以改善光合作用和水分利用效率 叶片内部与外部大气之间的气体交换由气孔导度决定，因此，气孔调控机制在决定光合碳同化速率和通过蒸腾作用损失水分的速率中起着关键作用。这两个生理过程对整体植物性能、生产力和产量都具有至关重要的意义。二氧化碳吸收对光合作用的重要性不言而喻；然而，水分损失对于蒸发冷却和维持最佳叶片温度以促进光合作用以及蒸腾作用驱动从土壤到植物地上部必需营养物质的吸收同样至关重要。因此，调节气孔孔径以平衡二氧化碳吸收和水分损失，是决定植物水分利用效率（定义为A/E，或当直接作为气孔导度函数评估时的内在水分利用效率）的基础。气孔对光合过程的显著影响，使其作为有价值的操纵靶点的潜力日益得到认可，以增强作物性能，以及开发能够应对气候变化挑战的未来作物。 气孔导度是解剖特征和生化因素的产物，为研究和操纵提供了若干途径以改善性能。通过改变气孔发育和/或模式途径中关键基因的表达来操纵气孔密度，已经清楚地说明了它们通过消除气孔限制来增加碳同化速率或增强水分利用效率的潜力。尽管有各种方法操纵气孔数量，但表皮模式因子家族内的基因一直是特别关注的焦点。表皮模式因子1和2的过表达表明，减少气孔密度（和导度）导致改善的耐旱性和增加的水分利用效率。然而，减少气孔导度通常会降低碳同化速率；因此，令人感兴趣的是，在关键C3作物水稻和小麦中减少气孔密度并未对碳同化施加任何扩散限制。过表达表皮模式因子9/气孔素增加气孔密度，导致与增强的碳同化相关的更大导度，突出了扩散限制对碳同化的影响。然而，需要注意的是，虽然增加气孔密度以提高气孔导度对于消除扩散限制看起来很有希望，但增加的水分损失会降低水分利用效率。此外，高气孔密度与气孔聚集和气孔动力学受损相关，导致气孔导度和碳同化速率降低。这些效应归因于保卫细胞渗透调节和孔开放所需的关键离子通道（如减少的K+通道活性）的减少。因此，虽然操纵气孔密度为修改气孔导度提供了一个有前景的途径，但很明显，未来的努力应采用更全面的方法，同时考虑解剖学方面和功能属性，如气孔动力学。 在稳态条件下，碳同化速率与气孔导度之间的密切相关性已得到充分证实；然而，它并不总是恒定的，并且在动态条件下，气孔对变化环境条件的响应比碳同化速率慢一个数量级，导致这两个过程之间的时间脱节。据报道，慢气孔开放可使多种物种的碳同化减少约10%，而慢关闭导致不必要的水分损失，可使水分利用效率降低高达50%。气孔动力学响应方面存在显著的物种和品种差异，这取决于解剖学和生物化学。这项研究导致对气孔导度和保卫细胞调控的快速性作为改善碳同化和水分利用效率的新靶点的兴趣日益增加。最近，使用光遗传学增强保卫细胞中的溶质通量，加速气孔开放和关闭，并验证了增强气孔动力学可在不损害碳同化的情况下提高水分利用效率。工程化参与保卫细胞K+通量的离子通道进一步证明了增加气孔导度动力学响应和提高水分利用效率的潜力。保卫细胞代谢也承诺提供许多创新的靶点，用于操纵气孔响应的快速性以及碳同化和气孔导度之间的协调。 较小的气孔被提出具有更快的动力学，很可能是由于更大的表面积与体积比，使得保卫细胞与周围细胞之间更快速的溶质和水交换。然而，迄今为止，对气孔大小的遗传调控知之甚少，尚未确定用于操纵的关键靶点。气孔大小与气孔密度相关，较小的气孔与较高的密度相关；因此，可能无法独立于密度来操纵大小。保卫细胞和围绕它们的细胞（称为副卫细胞）的形状也影响气孔打开和关闭的速度。一项研究在缺乏这些细胞的二穗短柄草突变体中证实了副卫细胞的重要性，这导致更慢的动力学和降低的气孔导度。这些发现开辟了副卫细胞代谢和转运作为一个潜在的新研究领域，以探索增加气孔动力学的新靶点。 虽然本视角的范围可能未涵盖所有最新进展，但值得注意的是，气孔研究中许多令人兴奋的发展可能为在变化的气候中改善作物性能提供新的机会。非叶气孔行为因其对光合作用和作物产量的显著影响（尤其是在植物胁迫期间）正受到越来越多的关注。此外，当前工作已证明这些非叶组织存在相当大的水分损失，为改善全株水分利用提供了可能的新靶点。虽然大多数研究主要集中在叶片水平的气孔响应，但最近的研究揭示了叶片正面和背面气孔之间的动力学差异。这一发现开启了独立操纵这两个表面的潜力，前提是能够阐明负责每个表面气孔模式的基因。然而，如果要利用本视角中强调的潜在靶点，就需要更深入地理解保卫细胞信号转导途径、代谢以及协调碳同化和气孔导度的机制。 内在产量潜力的自然变异 带Z-型放氧光合作用和固定二氧化碳的CBB循环的模型是生物圈主要的光合过程，因此，它提供了支持地球上生命的大部分能量和生物量。Z-型CBB循环光合引擎的一致使用意味着光合作用的基本生理和生化机制几乎没有变异。然而，自从维管植物在晚奥陶纪登陆以来，这一基本机制已通过进化适应，以应对在陆地生物群落多样环境生态位中优化光合作用的挑战。 光合作用是一个复杂的过程，依赖于许多过程的协同活动，因此可以沿多个维度进行调整或优化，例如，资源利用效率（如光、水和矿质营养）、对温度的响应、叶片结构和寿命、对非生物胁迫的耐受性、从胁迫中恢复等。这些适应轴各自复杂；例如，光在叶片或植物的生命周期中可以以无数方式变化（例如强度、光谱、周期性、不同时间尺度的波动）。这导致了光合性状的进化变异。以单位叶面积的最大光合二氧化碳固定速率为例，对于使用C3光合机制的植物，估计在2000 μmol m-2 s-1的光照下，最大光合速率应为约55 μmol m-2 s-1。一些C3植物（例如沙漠冬季一年生植物）达到略高的最大光合速率。相比之下，典型的C3作物植物的最大光合速率为20至30 μmol m-2 s-1，落叶森林树种的最大光合速率约为10 μmol m-2 s-1，而对于永久遮荫的热带雨林林下物种，最大光合速率为1至5 μmol m-2 s-1。 尽管在自然系统中观察到光合作用的变异，但有人认为作物植物的光合作用无法改进，因为它已经被自然选择和进化优化了。然而，这一论点只是部分正确，因为自然界中的植物不会经历与农业中植物相同的压力。自然界中发现的光合特性的广泛多样性（包括作物植物的野生祖先中），广义上代表了适应不同自然发生生态位的不同光合选项。然而，这些生态位往往在各个方面具有限制性，例如水分和营养（如氮和磷），并且自然界中的植物通常经历来自邻居的强烈竞争。然而，在农业中，与非作物植物物种的竞争通常被消除（或大部分被消除），养分和水分经常被供应，并且病虫害的侵袭得到管理，尽最大可能，尤其是在集约化农业和保护性园艺中。这些农业环境没有任何完全自然的类似物，因此进化不会为农业优化光合作用，因此它在作物植物中仍然可以改进。因此，原则上，光合作用与那些通过驯化和育种得到改进的其他植物特性没有什么不同，尽管它们之前在作物植物的野生祖先中已经被进化优化了。然而，在过去，由于光合作用表型鉴定的困难以及过程的复杂性，仅在一定程度上进行了改良光合作用的育种。 陆地植物光合特性的变异是理解光合作用操作和限制以及寻找可能用于改善作物植物光合作用的光合综合征或性状的宝贵资源。自然变异对理解和改善光合作用的贡献可分为以下五大类：
除了提供扩展我们对光合作用操作和调控以及进化精炼过程所达到的极限的知识的方法外，光合作用自然变异的发生意味着必须有潜在的遗传基础。如果能解开光合性状变异的遗传基础，就可以开始系统地育种改良光合性状。将光合作用的变异（即表型变异）与遗传学联系起来的重要性至关重要，无论是否使用新型植物育种技术或常规育种来遗传改良植物。问题在于，虽然光合作用主要组成部分（例如光系统II或光系统I的亚基）的基因是众所周知的，但许多关键光合特性的遗传基础却知之甚少，即使该变异的生理学已广为人知。例如，最大光合速率与叶片蛋白质、脂质和辅因子组成的众多变化以及解剖学差异相关。例如，较高的光合速率与细胞色素b6f复合物或Rubisco的更高活性相关，但这种活性的增加主要是通过单位面积有更多的这些组分来实现，而不是通过存在超级细胞色素b6f或Rubisco（即具有显著更高比活性的复合物）来实现。尽管对最大光合速率的表型变异进行了广泛研究和遇到，但关于如何实现单位叶面积这些复合物数量增加的遗传基础知之甚少。对于其他光合性状（或子性状）也可以这样说。然而，这并不意味着不存在编码光合作用主要组成部分的基因的自然变异——这种变异确实存在，并且有可能被利用。 如果在一个物种或一组物种中存在一个性状的变异，这些物种可以杂交产生遗传分离的后代，那么就有可能使用作图群体将表型变异与基因组变异相关联，并通过这种方法识别基因组区域——数量性状位点，其中包含导致表型变异的基因。作图群体可以以各种方式构建，但关键的是它们需要包含所研究性状的变异。构成群体的个体（通常为100个，且通常更多，取决于群体的性质）也必须使用标记（通常是单核苷酸多态性）进行经济地作图，这些标记本质上用于描述基因组的变异。如果存在基因组和表型变异，则可以将它们关联起来，并识别与表型变异相关的基因组变异区域。一个关键要求是表型鉴定，光合作用受环境影响很大，而且无论如何都难以快速测量，并且需要大规模才能充分表型鉴定一个大群体。这可以通过大规模使用便携式气体分析仪或使用基于叶绿素荧光的机器人成像系统来实现。比较标记辅助育种和基因组选择与遗传修饰和基因编辑，前者仅需要知道表型变异与基因组标记变异之间的关联，而后者则需要识别导致表型差异的基因——前者是商业植物育种中广泛使用的方法。 改善光合作用仍然是提高作物生产力的一个很大程度上尚未探索的策略，提供了在维持产量的同时扩展作物改良可能性的手段。即使仅考虑维管植物，光合作用也具有广泛的特性，其中许多特性不仅在物种之间存在差异，而且在物种内部也存在差异。在某些情况下，这些特性及其变异尚未得到充分探索。然而，光合作用的这种自然变异是改善作物光合特性的宝贵资源，为我们提供了可以使用常规或新型植物育种技术改善作物光合作用的生理模板和遗传资源。为了最好地利用这一资源，需要更好地理解田间光合作用的限制，并改进识别光合作用表型变异所需的工具。还需要更好的工具来识别光合变异背后的因果基因，并最终制定将这些发现应用于作物改良计划的策略。 光合作用建模 工程化冠层光合作用而非叶片光合作用，是提高作物产量潜力所必需的。冠层光合作用是冠层中所有叶片光合二氧化碳吸收速率的积分，包括通常接收高辐照度的顶部叶片和通常接收低辐照度的下层叶片。早期的小麦育种计划表明，具有较高叶片光饱和光合速率的品种通常与较低的叶面积指数相关，这因此抵消了增强叶片光合速率的积极影响。因此，确定能够增加冠层光合作用的工程靶点对于实现提高光合作用以获得更大产量的目标至关重要。 冠层光合作用由冠层内部的微气候参数（如二氧化碳、光、温度和湿度）以及冠层中所有叶片的光合特性控制。虽然冠层光合作用可以用冠层室测量，但需要开发精确的冠层光合作用模型来精确解析主要参与者和调控因素。已经开发了各种模型，通常基于三维结构建模和能量平衡方法，并且在冠层结构和微气候异质性方面的详细程度不同。这些模型已用于识别关键的架构参数，如最佳叶面积指数和理想叶倾角，以增强冠层光合作用。 除了微气候外，控制冠层光合作用的另一个因素是叶片光合速率，这在物种之间以及同一物种的不同品种之间表现出很大差异。这种变异主要归因于光合特性的差异，例如Rubisco含量、Rubisco激活状态、CBB循环酶活性、电子传递链组分丰度、叶肉和气孔导度以及叶片解剖特征。为了实现对控制叶片光合速率因素的精确解析，已经开发了叶片光合作用的三维反应-扩散模型，该模型有效地耦合了叶片解剖特征、二氧化碳扩散过程和叶片内部的光分布。这些模型表明，与光合作用相关的叶片生物物理和生化特性在决定光合速率方面起主导作用，而叶片解剖结构贡献相对较小。 使用光合系统建模来识别控制光合效率的关键蛋白质和酶及其生化和生物物理特性已有很长的历史。已经使用了几种建模方法，例如，用于模拟光合相关代谢过程的常微分方程组，用于模拟叶肉细胞或叶片中气体扩散和耦合反应过程的反应-扩散模型，以及用于模拟叶片内部光分布的射线追踪算法。已经开发了C3、C4和景天酸代谢叶片的系统模型，以及模拟气孔导度和非光化学猝灭动力学的模型。 利用这些系统模型的分析为工程化光合作用的策略提供了巨大的见解。例如，冠层光合作用的动态系统模型表明，更快地从光保护状态恢复可以改善冠层光合作用，这反过来又导致大豆和烟草的生物量生产增加。光呼吸旁路的系统模型表明，减少PLGG1（一种乙醇酸/甘油酸转运蛋白）的表达会增加光呼吸旁路的益处，并进一步增加光合二氧化碳吸收速率，这在后来在烟草和水稻中得到了实验证实。利用C3光合作用的系统模型分析表明，同时过表达SBPase和FBPase会增加光合作用，这后来在小麦中再次得到证实。建模与田间实验相结合，建立了一套可用于克服光合作用限制的工程选项。这些选项在前面各节中分别进行了讨论。在此，从获取光合作用底物（即二氧化碳和光）的角度以及由于参与光合作用的蛋白质或酶的低效率而导致的限制角度进行了总结。 尽管当前模型在指导光合作用工程方面取得了成功，但所建议的策略并不总是能带来预测的光合作用和生物量增加，例如在拟南芥和马铃薯中增加非光化学猝灭弛豫，或在水稻中增加SBPase表达。一个潜在原因是，限制光合作用的因素可能在不同的环境下或在不同的物种中转移到不同的过程。例如，在高光下，Rubisco对光合二氧化碳吸收具有更高的控制力，而在低光下，电子传递链的组分施加更高的控制；因此，工程化特定的酶可能不一定会在特定条件下增加特定作物的光合作用。然而，这并不否定特定步骤在其他条件下限制光合速率的可能性，因此需要田间研究来测试特定的工程选项是否适用于特定的植物或特定的品种。在某种意义上，一旦在模式植物物种中确立了特定蛋白质限制光合作用的基本概念，私营企业可能更适合带头通过大规模田间测试系统地测试其在不同作物和不同条件下的应用。 值得指出的是，虽然光合作用系统模型的使用在指导更高效率的光合作用工程方面显示出前景，但这一研究领域仍处于起步阶段。未来有巨大的机会开发更先进的模型，以指导未来的工程和设计，实现更高的光合效率。首先，当前模型需要包括光合作用对各种环境因素（如光、湿度和温度）以及内部因素（如库容量）适应的描述（例如，蛋白质的表达、组装和降解）。例如，最近的一项研究表明，光系统II修复过程所需的ATP平均占用于光合碳同化的4.6%。此外，研究表明，增加D1蛋白（具有高周转率）的合成可以增强高光合速率。其次，完全重新设计光合二氧化碳固定和碳代谢有可能显著提高光合效率。第三，激发能传递和电子传递过程的系统建模需要纳入类囊体膜中光合蛋白和色素-蛋白复合物的空间组织信息。这些信息不仅对理解高光合效率背后的原理至关重要，而且对识别优化植物以实现更高效率的靶点也至关重要。最后，通过系统建模预测为限制因素的酶或蛋白质，可以直接与序列变异和分子动力学模拟相关联，以确定光合相关基因的最佳基因组编辑策略。随着计算能力的快速增长和光合作用模型容量的不断扩大，我们正在进入一个不仅设计新途径而且设计新蛋白质以显著提高作物效率的理性设计时代。 用于提高作物产量和氮素利用效率的智能冠层 在当前行作物农业的密集单一栽培系统中，作物冠层顶部的低光利用效率和冠层内有限的光可用性共同限制了碳收益。“智能冠层”的概念被提出用于优化冠层光合作用。在考虑氮素在冠层内优化分布的背景下，以及提供有前景的靶点基因和赋能技术，提出在冠层水平改善光合作用的策略可能受益于智能冠层概念。 最优化理论研究表明，最大化冠层光合作用需要氮素分布与冠层内的光可用性成比例。叶片氮从冠层顶部到底部逐渐减少，这是对冠层内光可用性下降的关键适应。冠层内光和氮的垂直分布使用光的消光系数和氮的消光系数来描述。通过氮和光的最佳梯度可以实现冠层光合作用的最大化。冠层氮分布的荟萃分析显示，大多数植物物种的氮光消光系数比约为0.5，这意味着可以通过降低光的消光系数（更均匀的光分布）或增加氮的消光系数（更不均匀的氮分布）来改善冠层光合作用。超过一半的叶片氮投资于光合装置，这表明冠层内光合装置的“智能”调控将介导氮分布的优化。 已经提出了各种增强叶片和冠层光合作用的策略，其中许多已在田间实验中进行了测试。一项评估了这些策略的氮成本。例如，工程化Rubisco和ATP合酶预计具有高氮成本，因为它们占叶片氮预算的很大一部分。另一方面，过表达细胞色素b6f、光系统II亚基S-紫黄质脱环氧化酶-玉米黄质环氧化酶、SBPase和FBP醛缩酶等酶会产生中等氮成本。“智能冠层”的概念可以通过仅在有足够光可用的冠层顶部过表达限速酶，同时在光受限的地方抑制氮对该酶的投资，从而最小化氮成本。这种智能冠层策略旨在最大化冠层水平光合作用，同时优化冠层内的氮分布。有趣的是，一项研究指出，改善光合作用的策略之一可以节省氮，而不是产生额外的氮成本：减少光捕获机制，如叶绿素和天线蛋白。一项提案提出，智能冠层在冠层顶部具有更多的反应中心和更少的天线蛋白，而在冠层下部则相反。 出于农业目的，作物植物在光捕获上过度投资，而在光利用上投资不足，以优化冠层碳收益。对低叶绿素作物的研究表明，许多植物过度投资于叶绿素及其相关捕光复合物的生产。在光捕获上过度投资氮的一个重要进化优势是，它通过遮蔽潜在的竞争者而赋予选择优势。即使叶片光饱和且无法利用额外的光，拦截更多的光也能防止潜在的竞争者接收并从中受益；植物甚至会产生比捕获光所需更多的叶片。另一个好处可能是，许多作物在氮有限的条件下进化，因此，只要氮可用，就适应性地螯合氮，将其储存在像Rubisco这样的蛋白质中，以保存这种通常稀缺的资源。然而，这种氮投资策略对于密集种植的农业单一栽培来说是次优的，其主要目标是最大化田间的净初级生产力。减少光捕获而非增加光捕获以实现冠层内改善的光分布，将有益于氮素利用效率，或许还有整体冠层光合作用。 理论表明，如果通过减少叶片叶绿素含量节省的氮被最优地重新分配到与减少叶绿素冠层内增加的光水平相匹配的光合能力上，冠层总光合作用会增加。需要实验验证来评估这些修饰对叶片和冠层光合作用的影响。理论上，叶片叶绿素和捕光复合物减少50%可导致叶片氮节省7%至9%，而不影响冠层光合作用。从减少叶绿素节省的氮可用于过表达CBB循环中的限速酶，如Rubisco、FBP醛缩酶和SBPase。提出的策略包括在不同冠层水平采用不同的氮投资方法，将氮从下部重新分配到上部冠层叶片。除了预测的将节省的氮再投资于增加光合能力的优势外，一项研究表明，将烟草冠层叶绿素水平降低达50%不会损害碳同化，但使种子氮浓度增加了7%，这表明从减少叶绿素和捕光复合物中节省的氮可能被重新导向种子氮。 多基因构建体，过表达一套限速酶（如Rubisco、SBPase和FBP醛缩酶）在冠层顶部，同时下调冠层下部过度投资的酶，将更好地优化氮分布并改善冠层光合作用。这些构建体应由针对特定冠层高度定制的不同启动子调控。或许红/远红光比例是一个合理的诱导剂，特别是因为红/远红光比例随冠层高度降低。随着光遗传学的出现，蓝光和远红光诱导的基因表达系统已在微生物中进行了测试。然而，这些系统尚未在植物中进行测试。红光诱导的启动子已在植物系统中实现，但发现在白光下会关闭基因表达，使其不适合预期目的。因此，应在实际冠层条件下（最好在田间实验中）进一步研究冠层高度特异性的基因表达系统。 将氮投资从光捕获重新分配到光合能力，是提高当前行作物农业密集冠层光利用效率和冠层碳收益的合理机会。用于氮节省和再投资的候选靶点已在本简要概述中确定和强调。接下来的关键步骤涉及调整基因调控，并在目标作物物种的田间实验中验证这些预测，最终在多地点田间试验中评估对作物产量的影响。 讨论和展望 在本视角中，我们讨论了旨在增强光合效率的关键靶点和方法，强调了它们对作物产量改良的巨大潜力。下一步关键是将这些方法进行整合。通过结合优化Rubisco效率、促进电子传递、引入新色素和优化冠层结构、改善气孔调控和光合对环境波动的响应等策略，可以发挥它们的集体潜力。重要的是，这种整合必须考虑到这些修饰之间协同和拮抗效应的复杂相互作用，以最大化其对农业生产力的益处。这些策略的组合不仅应旨在堆叠改进，还应确保在多样化耕作条件下对植物韧性和生产力的实际益处。这不仅意味着混合不同的改进，还意味着理解它们在田间条件下如何协同工作——它们如何影响植物生长、源-库关系以及对环境胁迫的响应，以及光合作用何时以及如何限制作物生产力。这需要将重点扩展到增强光合效率之外，纳入增加对非生物和生物胁迫韧性、提高水分利用效率和氮素利用效率以及在波动环境条件下减少产量差距的性状。重要的是，改善初级生产为作物植物设计创造了灵活性。增加的碳可用于增加产量，或者，例如，在不降低产量的情况下，可以分配到增加根生物量，以通过改善养分或水分捕获或增加土壤有机碳来提高农业可持续性。目标是创造既更高产又更适合其生长的多样化环境的作物，直接应对全球粮食安全的紧迫需求。 小结： 本文深入探讨了旨在优化光合效率的最新进展和方法，涵盖了整个过程，从光捕获及其调控开始，逐步推进至电子传递的瓶颈。随后深入探讨光合作用的碳反应，重点关注针对卡尔文-本森-巴沙姆循环酶的策略。 此外，还探讨了增加Rubisco（负责CBB循环第一步的酶）附近二氧化碳浓度的方法，借鉴了多种光合生物的灵感，并通过研究增强二氧化碳向叶片输送的方式结束本节。超越单个过程，讨论了两种识别光合作用改善关键目标的方法：系统建模和自然变异研究。 最后，重新审视了上述部分策略，从整体视角分析其对氮素利用效率和冠层光合作用的影响。 |
|
|
来自： weipijieli > 《生理》
