随着全球人口的不断增长，对粮食的需求也持续增加，提高重要作物的产量对保障全球粮食安全具有重要意义。改善光合效率是提高作物产量的一个有效方法。RuBisCO（ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase-oxygenase）是光合碳同化过程中的一个关键酶，RuBisCO羧化核酮糖-1,5-二磷酸（ribulose-1,5-bisphosphate, RuBP），生成3-磷酸甘油酸，通过一系列反应，最终生成葡萄糖。然而，RuBisCO也会氧化RuBP，进入光呼吸途径（photorespiration），并产生有毒副产物乙醇酸，该途径是一个耗能极高的过程。光呼吸可使C3作物（如大豆，水稻和小麦）的光合效率降低20％至50％，造成产量损失。因此，改变光呼吸途径有望改善光合效率并提高作物产量。
GRAPHIC: A. KITTERMAN/SCIENCE
2019年1月4日，来自美国伊利诺伊大学的研究团队在Science发表了题为 Synthetic glycolate metabolism pathways stimulate crop growth and productivity in the field 的研究论文。该研究通过改变烟草叶绿体内的乙醇酸代谢，提高了光合量子效率，促进了烟草的生长并显著提高了生物量。田间试验发现，转基因烟草的生物量比对照可高出40%以上，表明这是一个提高作物产量的重要方法。
在该研究中，研究人员设计了三种替代光呼吸的途径。一种途径利用来自大肠杆菌乙醇酸氧化途径的五个基因；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来自大肠杆菌的过氧化氢酶；第三种途径使用植物苹果酸合成酶和绿藻乙醇酸脱氢酶。三种替代途径中所涉及的酶都设计定位于叶绿体。同时，利用RNAi下调光呼吸途径中自身叶绿体乙醇酸转运蛋白，从而限制通过自身途径的代谢物通量。
三种替代光呼吸途径（10.1126/science.aat9077 ）
基于上述三种途径，该研究共构建了17种载体，并转入烟草中。在温室中，途径1使烟草生物量增加了近13％，而与野生型相比，途径2没有显著改变烟草的生物量。在叶绿体乙醇酸转运蛋白没有干扰的情况下，引入途径3使生物量增加18％，下调乙醇酸转运蛋白后，途径3可使烟草的生物量增加24％，这与转基因烟草表现出的光呼吸代谢变化和更高的光合速率一致。在两个不同生长季节的田间试验表明，与野生型相比，途径3烟草的生物量增加高于25％，并且利用RNAi下调叶绿体乙醇酸转运蛋白可使烟草生物量增加 40％。同时发现，途径3使烟草在田间的光利用效率提高了17％。
利用途径3改造的烟草（10.1126/science.aat9077 ）
总的来说，该研究设计了更有效的光呼吸途径，将该途径引入烟草并抑制烟草自身的途径可显著提高光合效率和生物量产量。研究人员不仅在可控的环境中进行了研究，而且还进行了田间试验，研究结果具有一定的应用价值。该研究结果或能用于多种主要作物的改造，最终提高作物的产量。
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