基因调整光合作用的新方法可以促进植物生长

通过基因改造使光合作用更加高效，可能会给农业生产带来福音，至少对某些植物来说是如此。

这一基因工程壮举简化了许多植物在光合作用过程中必须进行的复杂且耗能的操作，即光呼吸。在田间试验中，以这种方式对烟草进行基因改造可以促进植物生长超过 40%。如果该技术在其他作物上也能产生类似的效果，那么这将有助于农民满足日益增长的全球人口的粮食需求，研究人员在 1 月 4 日的一份报告中报告道。科学。

未参与此项研究的澳大利亚堪培拉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”。

如今，农业行业已基本优化了杀虫剂、化肥和灌溉等增产工具的使用，研究人员正试图进行微观管理和改善植物生长（SN：12/24/16，第 6 页）。

光呼吸是实现这种效率的主要障碍。许多植物都会发生光呼吸，比如大豆、水稻和小麦，当一种名为 Rubisco 的酶（其主要作用是帮助将大气中的二氧化碳转化为植物生长所需的糖）意外地从大气中夺走一个氧分子时，就会发生光呼吸。

Rubisco 与氧气的相互作用发生率约为 20%，会产生有毒化合物乙醇酸，植物必须通过光呼吸将其循环利用为有用的分子。该过程包括一长串化学反应，跨越植物细胞的四个区域。总而言之，完成一个光呼吸循环就像从缅因州经加利福尼亚州开车到佛罗里达州。这种能量浪费会导致农作物产量减少 20% 至 50%，具体取决于植物种类和环境条件。

利用基因工程，研究人员现在已经设计出一种更直接的光呼吸化学途径，该途径局限于单个细胞区域——相当于细胞内沿东海岸从缅因州到佛罗里达州的公路旅行。

伊利诺伊州厄巴纳市美国农业部分子生物学家保罗·索斯 (Paul South) 和同事将这种捷径的遗传指示嵌入烟草植物细胞中，这些指示写在藻类和南瓜 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，从而阻止乙醇酸通过细胞的正常路径。

与之前对人工设计的光呼吸途径进行的实验不同，South 的团队在真实农业条件下在田间种植的植物中测试了其光呼吸绕行路线。转基因烟草比未经改造的烟草多产出 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（未参与此项研究）表示，看到这一基因调整在烟草中发挥如此好的作用“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。’”

对不同种类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。South 的团队目前正在对采用新基因改造的土豆进行温室实验，并计划对大豆、豇豆和水稻进行类似测试。

批准在商业农场使用此类基因改造的审查过程，包括更多的田间试验，可能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 Andreas Weber 表示，他也是这项研究的评论合著者，该评论发表在同一期的科学与此同时，他预计研究人员将继续尝试设计更有效的光呼吸捷径，但 South 的团队“现在已经设定了一个相当高的标准”。