近日，中国农业科学院生物技术研究所作物高光效功能基因组创新团队合成了创新的碳氮代谢耦合光呼吸旁路，实现了光呼吸过程的能量和碳氮的高效利用。在光合合成生物学领域取得重要突破，为培育绿色、高产水稻开辟了新路径。相关研究成果发表在《植物细胞（The Plant Cell）》上。

C4作物具有CO2二氧化碳浓缩机制、几乎没有光呼吸，而C3作物的光呼吸可导致约30%已固定碳的损耗，其光合效率和产量比C4作物低。如何降低C3作物的光呼吸的，同时避免由此带来的碳氮代谢失衡问题，一直是科学界亟待攻克的难题。

研究采用“自上而下”的理性设计模式，在水稻中合成了两种全新的碳氮代谢耦合光呼吸旁路，能够在不释放二氧化碳的情况下，并在叶绿体中成功实现了高效组装和表达。相关生理生化实验表明引入该旁路能将叶绿体内的乙醇酸代谢产生草酰乙酸，从而促进氨基酸、能量和糖类的合成，并且显著提高水稻的光合效率和氮素利用效率。田间实验表明，具有碳氮代谢耦合光呼吸旁路的水稻在正常生长条件下，其产量比野生型对照提高19.0%，而在低氮条件下比野生型对照最高提高44.1%。这一研究不仅揭示了光呼吸旁路调控碳氮代谢的新机制，还为培育高产量、节肥、适应性强的水稻新品种提供了科学依据。

生物所路铁刚研究员和张治国研究员为本文通讯作者，生物所博士生陈国鑫等为论文第一作者。该研究得到国家重点研发计划(2020YFA0907600; 2022YFF1001700) 和中国农业科学院创新工程等项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1093/plcell/koaf015

图示：碳氮代谢耦合光呼吸旁路GCBG工程化图