控制光呼吸帮助作物抵御高温

伊利诺伊大学和美国农业部的研究人员培育出了转基因烟草植物，这种植物表现出较少的能量密集型光呼吸特征。在加热条件下，这些植物具有更高的光合量子效率，总生物量比野生型烟草多26%。

包括水稻、小麦、大豆和大麦在内的C3植物约占地球植物生物量的95%。随着温度升高，它们容易受到光呼吸作用增强的影响。这是因为关键的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶加氧酶(Rubisco)固定氧气(O₂)，而不是二氧化碳(CO₂)到二磷酸核酮糖(RuBP)分子上。这导致了能量昂贵的回收途径，转化为作物生长中的巨大产量损失。

最近发表于植物生物技术杂志这项研究为在全球变暖的气候环境下实现C3作物的可持续生产提供了新的途径。

碳固定的简要介绍

在真核细胞中，CO₂不直接转化为糖分子，因为这会导致能量的过度损失。相反，能量是在一个称为卡尔文过程的多级循环中产生的，该过程包括羧化、还原反应和核酮糖1,5-二磷酸(RuBP)再生。

这些反应发生在细胞间质内，利用依赖光的反应产生的ATP和NADPH来产生糖分子。这个反应链也被称为碳固定。Rubisco(核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶-加氧酶)是这些反应的关键激活剂。

C3固碳是光合作用中最常见的固碳代谢途径。在这个过程中，二氧化碳(CO₂)和二磷酸核酮糖(RuBP) -一种5碳糖分子-被转化为2个3-磷酸甘油酸分子。

C3植物通过排汗损失高达97%的水分。随着温度升高，它们会关闭气孔以减少水分流失，从而防止大量的CO₂不进入树叶。这会降低CO₂来啊₂叶子的比例。因此，Rubisco结合O₂更容易转化为RuBP(而不是CO)₂)随着温度的升高。这个过程被称为光呼吸，浪费了光合作用产生的能量的25%。

光呼吸固定的碳中约有25%以CO的形式重新释放₂还有氮(氨)。然后，这种氨必须以细胞的大量能量成本进行解毒-以一个ATP和一个NADPH分子为代价。

控制光呼吸

据估计，到2050年，要满足全球粮食需求，作物产量必须比2017年的产量水平提高70%。尽管全球变暖给粮食作物带来了额外的负担。气候变暖已经导致全球小麦、玉米、水稻和大豆等主要作物减产。

在C3植物中，温度升高最直接的影响是Rubisco对RuBP的氧化作用增加，而Rubisco对RuBP的羧化作用增加。升高的温度降低了固有的CO₂Rubisco的特异性降低CO的溶解度₂相对于O₂在叶绿体中。

美国研究小组培育了三种选择性光呼吸烟草品系(AP3品系)，这些品系经过修饰，在叶绿体中过度表达植物苹果酸合成(MS)和乙醇酸衣藻脱氢酶(CrGDH)基因。

AP系还表达了一种RNA干扰(RNAi)模块，该模块旨在降低一种可塑乙醇酸-甘油酸转运体(PLGG1)基因的表达，以降低乙醇酸从叶绿体向天然途径的输出。

研究小组将这些植物在环境生长室中连续暴露在25 - 40℃的24小时温度下，并在每个温度处理结束时测量光系统在环境温度下的运行效率。AP3型烟草植株比野生型烟草植株表现出更高的经营效率。

结果表明，AP3植株在温度高于最佳温度时，净光合碳同化增强，代谢途径在常温和高温下均能正常运作。重要的是，在与农业相关的条件下，替代光呼吸植物显示出更高的热保护和每日碳增益。

这项研究为在日益变暖的全球气候中探索耐热粮食作物开辟了有希望的途径。

参考资料及进一步阅读

Cavanagh。等(2021)光呼吸的替代途径保护模型作物在高温下的生长和生产力。植物生物技术杂志，[在线]第1-11页。可以在:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13750

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