通过光合作用，植物可以把阳光转化为能量，然而地球上的大多数作物都会受到光合故障的困扰。为解决这一问题，它们进化出了一种被称为光呼吸（photorespiration）的高能量过程，但这一过程又极大地抑制了它们的产量潜力。
近日，美国伊利诺伊大学(University of Illinois)和美国农业部(U.S. Department of Agriculture)的研究人员在《科学》杂志上发表报告称，他们设计出了具有光呼吸捷径（photorespiratory shortcut）的作物，在实际农业环境中，这种作物的产量要比普通作物高出40%。
伊利诺斯州卡尔?r?沃斯基因生物学研究所的罗伯特?爱默生植物科学和作物科学教授唐纳德?奥尔特（Donald Ort）说:“在美国中西部地区，我们每年可以用光呼吸所消耗的热量养活另外2亿人。”“在世界范围内回收这些热量中的一部分，对于满足21世纪快速增长的食品需求——由人口增长和更高的卡路里饮食推动——来说还有很长的路要走。”
这个具有里程碑意义的研究是国际研究项目RIPE（ Realizing Increased Photosynthetic Efficiency：实现提高净光合效率 ）的一部分。该项目致力于提高作物光合效率从而可持续性地增加全球粮食生产力，其赞助者包括比尔和梅林达?盖茨基金会、,粮食和农业基础研究基金会(FFAR)和英国政府国际发展部(DFID)。
光合作用利用地球上丰度最高的蛋白质——二磷酸核酮糖羧化酶（Rubisco）和阳光将二氧化碳和水转化为糖，从而为植物自身生长和产量提供能量。几千年来，Rubisco已经成为了自身成功的牺牲品——它创造出了一个富含氧气的环境。由于无法准确区分氧气和二氧化碳，Rubisco有大约20%的时间会吸附前者并产生一种植物有毒化合物，必须通过光呼吸过程对其进行回收。
“光呼吸是一种反光合作用，”论文的第一作者保罗?南斯(Paul South)说，“它消耗了植物珍贵的能量和资源，而这些能量和资源本可以用于光合作用，使植物生长更多、产量更大。”
光呼吸循环途径发生在叶绿体、过氧化物体和线粒体三个不同的细胞器中。在这项新研究中，科学家们设计了不同的通路来改变这个过程，由此大大缩短了光呼吸进程，节省了足够的资源来使植物生长增长40%。“就像巴拿马运河工程的壮举提高了贸易的效率,这些光呼吸捷径是植物工程的一个壮举，它证明利用独特手段可以极大地提高植物光合作用的效率。“RIPE主管史蒂芬?隆恩（Stephen Long）说。
该团队设计了三条替代路径，以取代迂回的自然路径。为了优化新路线，他们使用不同的启动子和基因集设计了基因结构，本质上是创建了一系列独特的“路线图”。为筛选出其中表现最好的，他们在1700个植物上对“路线图”进行了测试。经过两年的实地研究，他们发现这些经过改造的植物生长得更快，长得更高，生物量增加了大约40%，其中大部分存在于增大了50%的茎干中。
研究小组在烟草中验证了他们的假设。烟草是作物研究的理想模型植物，因为它比粮食作物更容易修改和测试，而且与其他植物模型不同的是它具有叶层，可以在田间进行测试。现在，研究小组正在研究如何利用他们的发现来提高大豆、豇豆、大米、土豆、番茄和茄子等作物的产量。
“随着全球温度的升高，Rubisco将更难从氧气中识别二氧化碳，这会导致植物光呼吸作用增加。”论文的作者之一阿曼达?卡瓦娜（Amanda Cavanagh）说，“我们的目标是改造出更好的植物，以承受如今和未来的高温。”
尽管将这项技术转化到粮食作物上并获得监管机构的批准可能需要10多年时间，但RIPE及其赞助者致力于确保小农户，尤其是撒哈拉以南非洲和东南亚的小农户，能够免费获得该项目的所有突破。
编译：Max
责编：南熙
