光合作用是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，而高光效育種被認(rèn)為是未來種業(yè)創(chuàng)新的關(guān)鍵突破口。光呼吸作為伴隨光合作用的耗能過程，通過吸收O2并釋放CO2，導(dǎo)致C3作物損失30%–50%的光合同化物。近年來，科學(xué)家通過合成生物學(xué)策略在葉綠體中重構(gòu)光呼吸代謝支路，以此減少線粒體光呼吸CO2損耗，顯著提升作物光合效率與生物量。近日，生命科學(xué)學(xué)院彭新湘/朱國輝/張智勝團(tuán)隊(duì)在中科院1區(qū)Top期刊Plant Biotechnology Journal、Journal of Integrative Plant Biology、The Crop Journal連續(xù)發(fā)表三項(xiàng)研究成果，揭示了光呼吸代謝優(yōu)化在作物高光效育種中的應(yīng)用潛力。
在PBJ發(fā)表的論文“Synthetic photorespiratory bypass more stably increases potato yield per plant by improving photosynthesis”（論文鏈接：https://doi.org/10.1111/pbi.70076）中，團(tuán)隊(duì)針對前期水稻GOC和GCGT支路存在的結(jié)實(shí)率下降與產(chǎn)量波動問題（Wang et al., Mol Plant, 2020; Shen et al., Mol Plant, 2019），轉(zhuǎn)向馬鈴薯這一塊莖作物，因馬鈴薯作為塊莖類作物，能有效規(guī)避結(jié)實(shí)率環(huán)節(jié)產(chǎn)生的問題。通過優(yōu)化升級GOC支路，構(gòu)建了適配馬鈴薯的光呼吸代謝支路。多年多產(chǎn)區(qū)大田試驗(yàn)表明：GOC馬鈴薯生物量增加6.5%–60.1%；單株產(chǎn)量提高21.3%–69.2%，且增產(chǎn)效果穩(wěn)定（圖1，2）。尤其是，GOC馬鈴薯在高輻照產(chǎn)區(qū)更具增產(chǎn)優(yōu)勢，且在間歇性澇害和陰雨天氣下仍保持顯著的增產(chǎn)效果。該研究驗(yàn)證了光呼吸代謝工程改造在塊莖作物中的應(yīng)用前景，為馬鈴薯及其他根莖類作物的分子設(shè)計(jì)育種提供指引。目前，團(tuán)隊(duì)在開展更大范圍的田間試驗(yàn)，為下一步技術(shù)推廣和實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
在JIPB發(fā)表的論文“Engineering of photorespiratory-dependent glycine betaine biosynthesis improves photosynthetic carbon fixation and panicle architecture in rice”（論文鏈接：https://doi.org/10.1111/jipb.13874）中，團(tuán)隊(duì)針對光呼吸甘氨酸（Gly）在線粒體中氧化造成碳損耗的問題，利用嗜鹽隱桿藻ApGSMT和ApSDMT基因在線粒體中構(gòu)建了誘導(dǎo)型光呼吸支路imGS，將部分Gly定向轉(zhuǎn)化為甜菜堿，以分流光呼吸并增強(qiáng)抗逆性。結(jié)果顯示：imGS水稻光呼吸速率下降、甜菜堿積累增加，光合效率、葉片淀粉和蔗糖含量分別提高8%–17%、20%–30% 和30%–40%。同時，imGS水稻的一級與二級枝梗數(shù)增加，使得每穂穗粒數(shù)和總穗粒數(shù)顯著增加，但結(jié)實(shí)率下降（圖3）。該研究首次在線粒體中構(gòu)建光呼吸支路、并利用光呼吸中間產(chǎn)物合成有用物質(zhì)，為光呼吸代謝工程改良提供了新的思路。
在Crop J發(fā)表的論文“A synthetic glycolate metabolism bypass in rice chloroplasts increases photosynthesis and yield”（論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cj.2025.03.001）中，團(tuán)隊(duì)通過密碼子優(yōu)化與葉綠體定位信號改造，將萊茵衣藻CrGDH與南瓜CmMS基因?qū)胨荆瑯?gòu)建了葉綠體“乙醇酸→乙醛酸→蘋果酸”GMS光呼吸支路。結(jié)果顯示：GMS株系光呼吸速率下降，光合速率和葉片淀粉含量提高。GMS/ZH11單株生物量與籽粒產(chǎn)量分別提升1.8–16.0%和22.0–34.7%。GMS/osplgg1b株系單株生物量提高15.4–85.7%，但因結(jié)實(shí)率下降，其籽粒產(chǎn)量未呈現(xiàn)顯著差異。該研究進(jìn)一步證明了光呼吸支路改造在提高作物產(chǎn)量中的應(yīng)用潛力。
“源-流-庫”的協(xié)調(diào)性是作物高產(chǎn)的核心機(jī)制，光合產(chǎn)物的高效生成（源）、轉(zhuǎn)運(yùn)（流）與貯藏（庫）共同決定了最終產(chǎn)量。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制的系列高光效光呼吸支路材料（如GOC、GCGT、imGS、GMS水稻；GOC馬鈴薯），不僅直接提升光合“源”強(qiáng)度，還為深入解析光合作用與糖信號調(diào)控“源-庫”動態(tài)平衡提供了理想的遺傳材料。
上述研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2020YFA0907600），農(nóng)業(yè)生物育種國家重大科技專項(xiàng)（2024ZD04080、2023ZD04072），廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用研究重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2019B030302006）和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（32070265、32270252）的資助。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)劉耀光院士團(tuán)隊(duì)提供了多基因表達(dá)載體和技術(shù)指導(dǎo)。彭新湘/朱國輝/張智勝研究團(tuán)隊(duì)長期致力于作物高光效研究，近年來通過合成生物學(xué)等技術(shù)構(gòu)建了多條光呼吸支路，顯著提升作物的光合效率、生物量和產(chǎn)量。
