光合作用是作物产量形成的基础，而高光效育种被认为是未来种业创新的关键突破口。光呼吸作为伴随光合作用的耗能过程，通过吸收O2并释放CO2，导致C3作物损失30%–50%的光合同化物。近年来，科学家通过合成生物学策略在叶绿体中重构光呼吸代谢支路，以此减少线粒体光呼吸CO2损耗，显著提升作物光合效率与生物量。近日，生命科学学院彭新湘/朱国辉/张智胜团队在中科院1区Top期刊Plant Biotechnology Journal、Journal of Integrative Plant Biology、The Crop Journal连续发表三项研究成果，揭示了光呼吸代谢优化在作物高光效育种中的应用潜力。
在PBJ发表的论文“Synthetic photorespiratory bypass more stably increases potato yield per plant by improving photosynthesis”（论文链接：https://doi.org/10.1111/pbi.70076）中，团队针对前期水稻GOC和GCGT支路存在的结实率下降与产量波动问题（Wang et al., Mol Plant, 2020; Shen et al., Mol Plant, 2019），转向马铃薯这一块茎作物，因马铃薯作为块茎类作物，能有效规避结实率环节产生的问题。通过优化升级GOC支路，构建了适配马铃薯的光呼吸代谢支路。多年多产区大田试验表明：GOC马铃薯生物量增加6.5%–60.1%；单株产量提高21.3%–69.2%，且增产效果稳定（图1，2）。尤其是，GOC马铃薯在高辐照产区更具增产优势，且在间歇性涝害和阴雨天气下仍保持显著的增产效果。该研究验证了光呼吸代谢工程改造在块茎作物中的应用前景，为马铃薯及其他根茎类作物的分子设计育种提供指引。目前，团队在开展更大范围的田间试验，为下一步技术推广和实际应用奠定基础。
图1 GOC马铃薯不同地区的表型
图2 GOC马铃薯不同产区的产量与生物量
在JIPB发表的论文“Engineering of photorespiratory-dependent glycine betaine biosynthesis improves photosynthetic carbon fixation and panicle architecture in rice” （论文链接：https://doi.org/10.1111/jipb.13874）中，团队针对光呼吸甘氨酸（Gly）在线粒体中氧化造成碳损耗的问题，利用嗜盐隐杆藻ApGSMT和ApSDMT基因在线粒体中构建了诱导型光呼吸支路imGS，将部分Gly定向转化为甜菜碱，以分流光呼吸并增强抗逆性。结果显示：imGS水稻光呼吸速率下降、甜菜碱积累增加，光合效率、叶片淀粉和蔗糖含量分别提高8%–17%、20%–30% 和30%–40%。同时，imGS水稻的一级与二级枝梗数增加，使得每穂穗粒数和总穗粒数显著增加，但结实率下降（图3）。该研究首次在线粒体中构建光呼吸支路、并利用光呼吸中间产物合成有用物质，为光呼吸代谢工程改良提供了新的思路。
图3 imGS水稻相关表型
在Crop J发表的论文“A synthetic glycolate metabolism bypass in rice chloroplasts increases photosynthesis and yield”（论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cj.2025.03.001）中，团队通过密码子优化与叶绿体定位信号改造，将莱茵衣藻CrGDH与南瓜CmMS基因导入水稻，构建了叶绿体“乙醇酸→乙醛酸→苹果酸”GMS光呼吸支路。结果显示：GMS株系光呼吸速率下降，光合速率和叶片淀粉含量提高。GMS/ZH11单株生物量与籽粒产量分别提升1.8–16.0%和22.0–34.7%。GMS/osplgg1b株系单株生物量提高15.4–85.7%，但因结实率下降，其籽粒产量未呈现显著差异。该研究进一步证明了光呼吸支路改造在提高作物产量中的应用潜力。
图4 GMS光呼吸支路提高水稻生物量和产量
“源-流-库”的协调性是作物高产的核心机制，光合产物的高效生成（源）、转运（流）与贮藏（库）共同决定了最终产量。团队创制的系列高光效光呼吸支路材料（如GOC、GCGT、imGS、GMS水稻；GOC马铃薯），不仅直接提升光合“源”强度，还为深入解析光合作用与糖信号调控“源-库”动态平衡提供了理想的遗传材料。
上述研究得到了国家重点研发计划项目（2020YFA0907600），农业生物育种国家重大科技专项（2024ZD04080、2023ZD04072），广东省基础与应用研究重点研发计划项目（2019B030302006）和国家自然科学基金项目（32070265、32270252）的资助。华南农业大学刘耀光院士团队提供了多基因表达载体和技术指导。彭新湘/朱国辉/张智胜研究团队长期致力于作物高光效研究，近年来通过合成生物学等技术构建了多条光呼吸支路，显著提升作物的光合效率、生物量和产量。
生命科学学院 张智胜
