合成生物学是未来！胥华伟/胡涛组合作在水稻中创制新的光呼吸支路，提高光合作用效率和产量

以下文章来源于Mol Plant植物科学 ，作者Tao Hu

2023年6月22日，河南科技大学胥华伟团队与兰州大学胡涛团队合作在Plant Communications期刊发表题为“A synthetic light-inducible photorespiratory bypass enhances photosynthesis to improve rice growth and grain yield”的文章。该研究利用多基因组装技术，构建新的光呼吸支路以提高水稻光合作用效率和产量。

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

基于合成生物学技术在作物叶绿体内建立光呼吸支路是调控光呼吸代谢、提高光合效率乃至产量的有效策略。以前研究表明，在水稻叶绿体内构建光呼吸支路确实可以提高光合效率，但可能由于茎中光合产物的大量积累导致结实率下降。针对该问题，本研究通过多基因组装系统在水稻叶绿体内构建了一条光诱导的由乙醇酸氧化酶（GLO）、苹果酸合成酶（MS）以及抗坏血酸过氧化物酶（APX）组成的光呼吸支路（GMA支路，图1），创制了光诱导型水稻高光效新种质。

图1. 基于合成生物学构建的光依赖型GMA支路

在光诱导下，GMA支路可将光呼吸产生的乙醇酸直接在叶绿体内代谢并释放出CO2，从而提高水稻光合速率（图2）。

图2. 光依赖型GMA支路增强植物光合作用能力

以往的水稻光呼吸支路都是以组成型启动子启动目的基因表达。不同于以往的水稻光呼吸支路，GMA途径以具有叶片特异性表达以及光诱导表达特性的水稻Rubisco小亚基启动子启动GMA支路中第一个基因GLO的表达，该启动子可以动态调控GLO的表达，特别是在光呼吸速率较高的中午其表达量反而迅速降低，从而调控进入GMA支路的乙醇酸的量。光合速率的提高导致叶片中积累了较多的糖和淀粉（图3）。

图3. 光依赖型GMA支路增强植糖类物质富集水平

GMA水稻在大田和温室条件下的穗长、分蘖数及单株产量都显著高于对照植株，但其结实率并未下降，这可能主要得益于光诱导表达启动子可以动态调控GLO的表达，水稻茎中光合产物不至于过度积累，从而使光合产生的碳水化合物可以及时转运到籽粒（图4）。

图4. 光依赖型GMA支路增强水稻产量，但是并未影响结实率

小结：本研究在水稻叶绿体中构建了光依赖型GMA光呼吸支路，创制了水稻高光效新种质，显著提高了温室和大田条件下水稻产量，但结实率并未受到影响。

转自：“iPlants”微信公众号

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