華南農業大學利用合成生物學技術創製水稻高光效新種質

2020-10-22 BioArt植物

Mol Plant | 華南農業大學彭新湘課題組利用合成生物學技術創製水稻高光效新種質


來源 | Mol Plant

編輯 | 王一


近日，華南農業大學彭新湘課題組在Molecular Plant上發表題為「A Synthetic Photorespiratory Shortcut Enhances Photosynthesis to Boost Biomass and Grain Yield in Rice」的研究論文，利用合成生物學技術創製了水稻高光效新種質。



研究利用優化後的葉綠體信號肽（RC2）將水稻乙醇酸氧化酶（OsGLO1）、大腸桿菌過氧化氫酶（EcCAT）、乙醛酸聚醛酶（EcGCL）和羥基丙二酸半醛還原酶（EcTSR）四個酶導入水稻葉綠體中，使光呼吸產生的部分乙醇酸直接在葉綠體內代謝釋放CO2，形成了類似C4植物的CO2濃縮機制。該途徑的碳計量與植物光呼吸途徑完全一致，因此亦可稱為光呼吸捷徑（以下簡稱GCGT捷徑）。此捷徑的引入顯著提高了水稻的光合效率、生物量和產量。


光呼吸是植物綠色組織利用光能，吸收O2並釋放CO2的過程，需要葉綠體、線粒體、過氧化物酶體和細胞質的共同參與，是C3植物中僅次於光合作用的第二大代謝流。正常環境條件下， C3植物的光呼吸可消耗掉光合產物的25-30%，在逆境條件下（高溫、高光、乾旱等）這種損耗會更加嚴重。2019年該課題組在水稻中成功報導一條光呼吸代謝支路GOC支路（點擊查看：專家點評 | 新型光呼吸支路，增產高達27%！華南農大彭新湘團隊創建高光效水稻新種質），顯著提高了水稻的光合效率、生物量和產量。GOC支路的總反應是將2分子的乙醇酸全部轉變成CO2釋放於葉綠體。GCGT捷徑是在水稻中成功創建的第二條光呼吸代謝支路，將2分子的乙醇酸轉變成1分子的甘油酸和1分子的CO2，與內源光呼吸途徑一樣回收了3/4的碳（圖1），因此從碳計量比較，GCGT捷徑相對於GOC支路更具優勢。此外，GCGT捷徑產生的H2O2比GOC支路少了2/3。


圖1 GCGT捷徑與GOC支路設計示意圖

註：紅色為引入的支路；黑色為光呼吸代謝途徑

彭新湘課題組成功在水稻中創建了兩條光呼吸代謝支路，均顯著提高了水稻的光合效率、生物量和產量，並證明該表型的出現主要是由於在葉綠體內形成了類似於C4植物的CO2濃縮機制。但兩條支路均出現結實率降低的問題，限制了其增產潛力的最大化發揮。本文對此問題進行了初步探索，通過轉錄組、生理生化分析表明結實率的降低與碳水化合物的轉運不暢有關。因此指出，儘管提高光合效率毋容置疑可提高生物量和產量，但要大幅度提高作物的籽粒產量還要充分考慮光合產物的轉運效率。因此，GCGT捷徑應用於馬鈴薯、甘薯、木薯等塊莖類作物可能會有更好的提升產量的效果。


亞熱帶農業生物資源保護與利用國家重點實驗室博士研究生王麗敏（現為仲愷農業工程學院特聘副教授）和博士後沈博然為該論文的共同第一作者，彭新湘研究員為通訊作者。華南農業大學劉耀光院士團隊提供了多基因表達載體。該研究由廣東省基礎與應用基礎研究重大項目(2019B030302006)、國家自然科學基金項目提供資助(31770256)。


論文連結：

https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(20)30353-1

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