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首次创制了既具有C3光合途径，又具有景天酸（CAM）代谢模式的水稻新种质，为培育高光效高产水稻开辟了新路径。相关研究成果发表在国际期刊《Advanced Science》上。

植物界有三大固碳形式：C3、C4和CAM。CAM植物在时间上将CO2捕获和Rubisco羧化分离，即在夜晚打开气孔，进行CO2固定，并以苹果酸的形式储存在液泡中；而在白天关闭气孔，储存的苹果酸进行脱羧反应，在Rubisco附近形成高CO2浓度的环境，促进Rubisco催化的羧化固碳反应。CAM植物这种固碳机制，赋予了其更耐受高温、干旱以及增产潜力。但是如何在C3植物中实现CAM工程化一直是科学界亟待攻克的难题。

研究利用基因编辑和多基因叠加的合成生物技术，设计了一条包含气孔调节模块、羧化模块、脱羧模块和苹果酸转运模块的兼性CAM代谢通路模块，在C3水稻中创制了兼性CAM代谢通路，能够实现同一体内C3循环和CAM循环兼容，所创制的景天酸水稻材料的光合速率提高约21%，生物量和产量分别提高约20%，显示了在水稻中实现兼性CAM代谢的固碳增产潜力。然而，以气孔开放的slac1突变体作为底盘，虽然促进了CO2进入叶肉细胞并增强固碳，但抗旱性并没有提高。未来，可通过对气孔调节模块的精细优化，来降低水分蒸发，实现光合效率、产量和抗旱性的共同提升。

生物所路铁刚研究员和张治国研究员为论文通讯作者，生物所博士研究生吴苏亭和金楷宁为论文共同第一作者。该研究得到科技创新2030重大项目（2024ZD04080）和中国农业科学院创新工程等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202500418

图示：兼性景天酸代谢通路工程化示意图