一種通過基因調整光合作用促進植物生長的新方法

提高光合作用效率的基因改造可能會給農業生產帶來福音，至少對某些植物來說是這樣。

基因工程的這一壯舉簡化了許多植物在光合作用（稱為光呼吸）過程中必須執行的複雜且耗能的操作。在現場測試中，以這種方式對煙草進行基因改造以促進植物生長超過 40%。研究人員在 1 月 4 日報告稱，如果它在其他作物上產生類似的結果，將有助於農民滿足全球人口不斷增長的糧食需求科學。

未參與這項工作的堪培拉澳大利亞國立大學植物生物化學家斯賓塞·惠特尼 (Spencer Whitney) 表示，簡化光呼吸是“增強光合作用的一大進步”。

既然農業產業已經基本上優化了殺蟲劑、化肥和灌溉等增產工具的使用，研究人員正在嘗試微觀管理和改善植物生長(SN：2016 年 12 月 24 日，第 12 頁6）。

光呼吸是實現這種效率的主要障礙。這種現象發生在大豆、水稻和小麥等許多植物中，因為一種名為 Rubisco 的酶（其主要作用是將大氣中的二氧化碳轉化為糖，為植物生長提供燃料）意外地從大氣中奪走了一個氧分子。

Rubisco 與氧的相互作用發生率約為 20%，會產生有毒化合物乙醇酸鹽，植物必須通過光呼吸將其回收為有用的分子。該過程包括跨越植物細胞中四個區室的一長串化學反應。總而言之，完成一個光呼吸週期就像從緬因州開車經加利福尼亞州到佛羅里達州一樣。這種能源浪費會使作物產量減少 20% 至 50%，具體取決於植物種類和環境條件。

利用基因工程，研究人員現在設計了一種更直接的光呼吸化學途徑，該途徑僅限於單個細胞室——相當於從緬因州到佛羅里達州沿著東海岸的公路旅行。

伊利諾伊州厄巴納市美國農業部的分子生物學家 Paul South 和同事將這條捷徑的遺傳方向嵌入煙草植物細胞中的藻類和南瓜 DNA 片段上。研究人員還對細胞進行了基因改造，使其不產生允許乙醇酸在細胞區室之間移動的化學物質，從而阻止乙醇酸按照正常路線穿過細胞。

與之前人類設計的光呼吸途徑的實驗不同，South 的團隊在現實農業條件下的田間種植的植物中測試了其光呼吸繞道。轉基因煙草比未轉基因煙草多產生 41% 的生物量。

德國杜塞爾多夫海因里希·海涅大學的植物生理學家 Veronica Maurino 表示，看到這種基因調整在煙草中發揮作用，“非常令人興奮”，但“你不能說，‘它正在發揮作用。現在它將在任何地方發揮作用。’”

對不同類型植物的實驗將揭示這種光呼吸修復是否能為其他作物帶來與煙草相同的益處。索斯的團隊目前正在對帶有新基因改造的土豆進行溫室實驗，併計劃對大豆、黑眼豌豆和水稻進行類似的測試。

批准在商業農場使用此類基因改造的審查過程，包括更多的現場測試，可能會至少還需要五到十年杜塞爾多夫海因里希·海涅大學的植物生物化學家安德烈亞斯·韋伯 (Andreas Weber) 說，他與人合著了該研究的評論，發表在同一期《科學。與此同時，他預計研究人員將繼續嘗試設計更有效的光呼吸捷徑，但索斯的團隊“現在已經設定了一個相當高的標準”。