彭新湘课题组通过光呼吸代谢工程创建高光效水稻新种质取得突破性进展
近日，华南农业大学彭新湘课题组在国际著名学术期刊Molecular Plant（IF2017 9.326）上发表了题为 “Engineering a new chloroplastic photorespiratory bypass to increase photosynthetic efficiency and productivity in rice” 的研究论文(https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(18)30370-8)。该研究采用水稻自身的基因,创建了一条新的光呼吸支路并成功将其导入到水稻叶绿体中形成了光合CO2浓缩机制，显著提高了水稻的光合效率和产量。值得一提的是， Cell 出版社以 Rice plants engineered to be better at photosynthesis make more rice 为题对这一重要成果进行了推介。
据联合国经济与社会事务部预测，至2050年，全球人口将增至97亿。如果农作物产量依然维持在现有水平，届时，人类必将面临严重的粮食短缺局面。针对这一问题，从本世纪初开始，世界范围内便掀起了一场以通过生物工程技术提高植物光合效率为中心的“第二次绿色革命”，而“光呼吸代谢工程”被认为是此次革命的一个关键突破口。
所谓光呼吸，是依赖于光的一种呼吸作用，在光的驱动下将碳水化合物氧化生成CO2和水，正常生长条件下光呼吸就可损耗掉光合产物的25-30%，如果一旦遭遇高温、干旱等逆境条件，其损耗比例就会更高，可高达50%以上。科学家们研究发现：在C3植物叶绿体中引入光呼吸代谢支路，将原本释放于线粒体中的CO2转移到叶绿体中释放，可以减少光呼吸造成的损耗并形成类似于C4植物的CO2浓缩机制，由此可提高植物的光合效率。然而，已有的研究主要以拟南芥或烟草为材料，其产量性状和田间表现往往被忽视，而在粮食作物中还从未见过相关报道。并且，由于目前已经见诸报道的“支路”均有引入的来源于大肠杆菌或蓝藻的外源基因，推广应用起来更不容易被公众接受认可。
华南农业大学彭新湘课题组历时10余载，几经挫折，最终利用水稻自身的三个基因，即OsGLO3（乙醇酸氧化酶）、OsOXO3（草酸氧化酶）和OsCATC（过氧化氢酶），成功构建了一条新的光呼吸支路，简称GOC支路。通过多基因转化技术成功将GOC支路导入水稻并定位至叶绿体中，由此使光呼吸产生的部分乙醇酸直接在叶绿体内被催化为草酸并最终完全分解为CO2，从而形成一种类似C4植物的光合CO2浓缩机制（图3）。获得的GOC工程水稻株系的光合效率、生物量、籽粒产量（早造）分别提高了15-22%、14-35%、7-27%。同时，GOC植株还表现出了许多类似于长期生长在高CO2环境条件下的表型性状，如叶片含糖量增加、叶绿素含量增加，叶绿体体积增大，淀粉粒数量增加、体积增大，糖类代谢相关基因上调表达等。更有趣的是，GOC水稻叶片中的氮素含量也表现出显著提高，这意味着光呼吸代谢的分流也可能减少了氮损耗从而提高了植物的氮素利用效率。同时发现GOC水稻在高光条件下更有优势。鉴于GOC支路对提高生物量更为稳定，它可能更适应于对块茎类植物如土豆、甘薯、木薯等粮食作物的高光效改良。该课题组目前正在尝试转化上述作物和其它水稻品种，还在对其启动子做进一步优化，以期解决结实率下降的问题。本项研究是首次在主要粮食作物中并且在大田种植条件下成功实现光合CO2浓缩机制与高光效种质的创制。
图3 GOC支路及其工程水稻的表型
热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室、生命科学学院博士后沈博然和博士研究生王丽敏为该论文的共同第一作者，彭新湘研究员为通讯作者。华南农业大学刘耀光院士团队提供了多基因表达载体，祝钦龙博士给与了技术指导。该研究由国家自然科学基金、广州市科技计划重点项目提供资助。（图/文 生命科学学院 张智胜）
（责任编辑：李坚）