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設計更好的光合作用水稻植物可以增加產量

來源 : 亞洲健康互聯海外中心
update : 2019/01/11
來自工程化植物的水稻小穗與野生型對照圖。 圖片來源:分子植物雜誌

根據110日發表在「分子植物雜誌上的一項研究,一種新的生物工程方法可以提高水稻的光合作用,可以使穀物產量提高27%。這種被稱為GOC旁路的方法使用CO 2富集植物細胞,否則CO2會透過稱為光呼吸的代謝過程而消失。基因工程植物更綠、更大,在田間條件下表現出更高的光合效率和生產力,在明亮的光線下具有特別的優勢。

「與世界人口增長相關的糧食短缺,將成為我們必須面對的嚴重問題,」中國大陸廣州華南農業大學的高級研究作者彭新祥說。「我們的研究可以透過顯著提高水稻產量,來對這一問題產生重大影響,特別是對於光線明亮的地區。」

作為世界主食作物的水稻的生物工程改良具有很高的實際重要性,特別是鑑於世界人口增長,和可耕種土壤的減少而需要提高作物生產力。但是近年來水稻和其他幾種主要作物的產量增加很少,作物產量似乎達到了最大潛力的上限。

提高主要作物產量潛力的主要遺傳方法集中在光合作用、二氧化碳和水轉化為二氧化碳的生化過程,以及促進植物生長的富含能量的糖化合物。增加光合作用的一種方法是繞過光呼吸,這是一種依賴於光的過程,其中吸收O 2並釋放CO 2。光呼吸的成本是巨大的。消除光呼吸可導致光合作用增加55%,將光呼吸置於中心階段以試圖提高光合效率和產量。

在過去幾年中,已將三個光呼吸旁路引入植物中,其中兩個導致光合作用和生物產量的增加。但是大多數實驗是使用模式生物擬南芥進行的,並且是在環境控制的、低光照和短日照條件下觀察到的。「據我們所知,我們的研究是第一個測試水稻光呼吸旁路的研究,」共同作者,舊金山州立大學的鄭正輝說。

在這項新研究中,研究人員制定了一項戰略,將二氧化碳從光呼吸轉移到光合作用。他們使用三種水稻酶(乙醇酸氧化酶、草酸氧化酶和過氧化氫酶)將一種名為乙醇酸的分子(透過光呼吸產生)轉化為二氧化碳。為了部署以三種酶命名的GOC旁路,研究人員將編碼酶的基因引入水稻葉綠體 - 細胞器,其中光合作用發生在植物細胞中。

結果,與正常相比,光呼吸速率被抑制了18-31%,並且淨光合速率增加了15-22%,這主要是由於用於光合作用的更高濃度細胞CO 2。與未經基因改造的植物相比,GOC植物始終更環保、更大、地上乾重高出14-35%。此外,澱粉粒的大小增加了100%,每個細胞的數量增加了37%。在春季播種季節,糧食產量提高了7%至27%。

展望未來,研究人員計劃透過在其他水稻品種中使用相同的代謝旁路,來優化田間工程化植物的性能。他們還想對其他農作物採用相同的方法。