7月20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水稻叶绿体中成功引入合成的丙醇二酰辅酶A（Tartronyl-CoA，简称TaCo）代谢路径，首次在植物中应用“碳正性”光呼吸旁路，在正常卡尔文循环固定CO₂外，还通过其它反应额外固定CO₂。相关成果发表在《植物生物技术杂志（Plant Biotechnology Journal）》上。

光呼吸作用是绿色植物在光照条件下吸收氧气并释放二氧化碳的代谢过程，C3作物（如水稻、小麦等）的光呼吸会消耗30%-50%光合作用固定的碳，从而制约了作物的产量。尽管已有多种光呼吸旁路策略试图优化作物的碳利用效率，但仅能减少碳损失，在植物中尚无“碳正性”循环路径的应用实践，即除了卡尔文循环外还通过其它反应额外固定CO₂。

研究团队利用来自细菌的3个酶，即赤细菌的乙醇酰辅酶A合成酶（GCS）、甲基杆菌的乙醇酰辅酶A羧化酶（GCCM5）和橙色绿屈挠菌丙醇二酰辅酶A还原酶（TCR），经密码子优化、高效靶向肽融合及多基因模块构建，成功合成了一条全新光呼吸旁路TaCo路径，导入水稻后，TaCo路径在水稻叶绿体内可稳定表达，将乙醇酸转化为甘油酸，这一过程不仅减少能量消耗，还额外固定1分子CO₂。田间试验表明，TaCo水稻生物量提升11.1%–17.2%，籽粒产量增加14.2%–20.2%；在高光、高CO₂条件下表现出更高的净光合速率和羧化效率，CO₂补偿点显著降低，明确具备“碳正性”效应。多组学分析发现，TaCo路径可增强碳水化合物代谢和细胞分裂素合成，有效促进籽粒发育。本研究合成了一条全新光呼吸旁路，实现了光呼吸由“负”（碳消耗）到“正”（碳固定）的转变，提升了作物光合作用的潜力，为培育高光效高产水稻新材料提供了新路径。

下一步研究团队将针对GCS、GCCM5和TCR三种酶进行智能设计，提高乙醇酸转化为甘油酸的效率，进一步提升增产潜力。

图示：构建碳正性光呼吸旁路

生物所已毕业博士生陈国鑫和在读博士生金楷宁、王静钶为论文共同第一作者，路铁刚研究员和张治国研究员为论文通讯作者。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。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.70258