在水稻中創製新的光呼吸支路，提高光合作用效率和產量

2023年6月22日，河南科技大學胥華偉團隊與蘭州大學胡濤團隊合作在Plant Communications期刊發表題為「A synthetic light-inducible photorespiratory bypass enhances photosynthesis to improve rice growth and grain yield」的文章。該研究利用多基因組裝技術，構建新的光呼吸支路以提高水稻光合作用效率和產量。

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2023.100641

基於合成生物學技術在作物葉綠體內建立光呼吸支路是調控光呼吸代謝、提高光合效率乃至產量的有效策略。以前研究表明，在水稻葉綠體內構建光呼吸支路確實可以提高光合效率，但可能由於莖中光合產物的大量積累導致結實率下降。針對該問題，本研究通過多基因組裝系統在水稻葉綠體內構建了一條光誘導的由乙醇酸氧化酶（GLO）、蘋果酸合成酶（MS）以及抗壞血酸過氧化物酶（APX）組成的光呼吸支路（GMA支路，圖1），創製了光誘導型水稻高光效新種質。

圖1. 基於合成生物學構建的光依賴型GMA支路

在光誘導下，GMA支路可將光呼吸產生的乙醇酸直接在葉綠體內代謝並釋放出CO2，從而提高水稻光合速率（圖2）。

圖2. 光依賴型GMA支路增強植物光合作用能力

以往的水稻光呼吸支路都是以組成型啟動子啟動目的基因表達。不同於以往的水稻光呼吸支路，GMA途徑以具有葉片特異性表達以及光誘導表達特性的水稻Rubisco小亞基啟動子啟動GMA支路中第一個基因GLO的表達，該啟動子可以動態調控GLO的表達，特別是在光呼吸速率較高的中午其表達量反而迅速降低，從而調控進入GMA支路的乙醇酸的量。光合速率的提高導致葉片中積累了較多的糖和澱粉（圖3）。

圖3. 光依賴型GMA支路增強植糖類物質富集水平

GMA水稻在大田和溫室條件下的穗長、分櫱數及單株產量都顯著高於對照植株，但其結實率並未下降，這可能主要得益於光誘導表達啟動子可以動態調控GLO的表達，水稻莖中光合產物不至於過度積累，從而使光合產生的碳水化合物可以及時轉運到籽粒（圖4）。

圖4. 光依賴型GMA支路增強水稻產量，但是並未影響結實率

小結：本研究在水稻葉綠體中構建了光依賴型GMA光呼吸支路，創製了水稻高光效新種質，顯著提高了溫室和大田條件下水稻產量，但結實率並未受到影響。