一种通过基因调整光合作用促进植物生长的新方法

提高光合作用效率的基因改造可能会给农业生产带来福音，至少对某些植物来说是这样。

基因工程的这一壮举简化了许多植物在光合作用（称为光呼吸）过程中必须执行的复杂且耗能的操作。在现场测试中，以这种方式对烟草进行基因改造以促进植物生长超过 40%。研究人员在 1 月 4 日报告称，如果它在其他作物上产生类似的结果，将有助于农民满足全球人口不断增长的粮食需求科学。

未参与这项工作的堪培拉澳大利亚国立大学植物生物化学家斯宾塞·惠特尼 (Spencer Whitney) 表示，简化光呼吸是“增强光合作用的一大进步”。

既然农业产业已经基本上优化了杀虫剂、化肥和灌溉等增产工具的使用，研究人员正在尝试微观管理和改善植物生长（SN：2016 年 12 月 24 日，第 14 页6）。

光呼吸是实现这种效率的主要障碍。这种现象发生在大豆、水稻和小麦等许多植物中，因为一种名为 Rubisco 的酶（其主要作用是将大气中的二氧化碳转化为糖，为植物生长提供燃料）意外地从大气中夺走了一个氧分子。

Rubisco 与氧的相互作用发生率约为 20%，会产生有毒化合物乙醇酸盐，植物必须通过光呼吸将其回收为有用的分子。该过程包括跨越植物细胞中四个区室的一长串化学反应。总而言之，完成一个光呼吸周期就像从缅因州开车经加利福尼亚州到佛罗里达州一样。这种能源浪费会使作物产量减少 20% 至 50%，具体取决于植物种类和环境条件。

利用基因工程，研究人员现在设计了一种更直接的光呼吸化学途径，该途径仅限于单个细胞室——相当于从缅因州到佛罗里达州沿着东海岸的公路旅行。

伊利诺伊州厄巴纳市美国农业部的分子生物学家 Paul South 和同事将这条捷径的遗传方向嵌入烟草植物细胞中的藻类和南瓜 DNA 片段上。研究人员还对细胞进行了基因改造，使其不产生允许乙醇酸在细胞区室之间移动的化学物质，从而阻止乙醇酸按照正常路线穿过细胞。

与之前人类设计的光呼吸途径的实验不同，South 的团队在现实农业条件下的田间种植的植物中测试了其光呼吸绕道。转基因烟草比未转基因烟草多产生 41% 的生物量。

德国杜塞尔多夫海因里希·海涅大学的植物生理学家 Veronica Maurino 表示，看到这种基因调整在烟草中发挥作用，“非常令人兴奋”，但“你不能说，‘它正在发挥作用。现在它将在任何地方发挥作用。’”

对不同类型植物的实验将揭示这种光呼吸修复是否能为其他作物带来与烟草相同的益处。索斯的团队目前正在对带有新基因改造的土豆进行温室实验，并计划对大豆、黑眼豌豆和水稻进行类似的测试。

批准在商业农场使用此类基因改造的审查过程，包括更多的现场测试，可能会至少还需要五到十年杜塞尔多夫海因里希·海涅大学的植物生物化学家安德烈亚斯·韦伯 (Andreas Weber) 说，他与人合着了该研究的评论，发表在同一期《科学。与此同时，他预计研究人员将继续尝试设计更有效的光呼吸捷径，但索斯的团队“现在已经设定了一个相当高的标准”。