彭新湘課題組在水稻高光效新種質創制上再立新功

审核发布:宣传部 蒙丽 來源單位及審核人:生命科學學院 陳樂天 發布時間:2020-10-19浏覽次數:437

  近日,我校生命科学学院、亚热带农业生物资源保护与利用國家重點實驗室、岭南现代农业科学与技术广东省实验室彭新湘课题组在Molecular Plant(IF2019=12.084)上发表题为“A Synthetic Photorespiratory Shortcut Enhances Photosynthesis to Boost Biomass and Grain Yield in Rice”的研究論文。该研究利用优化后的叶绿体信号肽(RC2)将水稻乙醇酸氧化酶(OsGLO1)、大肠杆菌过氧化氢酶(EcCAT)、乙醛酸聚醛酶(EcGCL)和羟基丙二酸半醛还原酶(EcTSR)四个酶导入水稻叶绿体中,使光呼吸产生的部分乙醇酸直接在叶绿体内代谢释放CO2,形成了类似C4植物的CO2浓缩机制。该途径的碳计量与植物光呼吸途径完全一致,称为光呼吸捷径(以下简称GCGT捷径),可显著提高水稻的光合效率、生物量和产量(論文在線網址https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(20)30353-1)。


  光呼吸是植物绿色组织利用光能,吸收O2并释放CO2的过程,需要叶绿体、线粒体、过氧化物酶体和细胞质的共同参与,是C3植物中仅次于光合作用的第二大代谢流。 正常环境条件下, C3植物的光呼吸可消耗掉光合产物的25-30%,在逆境条件下(高温、高光、干旱等)这种损耗会更加严重。

  2019年该课题组在Molecular Plant上发表了题为“Engineering a new chloroplastic photorespiratory bypass to increase photosynthetic efficiency and productivity in rice”的研究論文。首次在水稻中成功报道一条光呼吸代谢支路GOC支路(Shen et al., 2019),该研究利用水稻自身的三个基因,包括OsGLO3(乙醇酸氧化酶)、OsOXO3(草酸氧化酶)和 OsCATC(过氧化氢酶),成功构建了一条新的光呼吸支路。GOC 水稻工程植株的光合效率、生物量、籽粒产量分别提高了15-22%、14-35%、7-27%。然而,GOC 水稻工程植株存在一个问题,在不同的栽培季节,由于结实率不同,籽粒产量会出现波动。

  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);而GOC支路的總反應是將2分子的乙醇酸全部轉變成CO2釋放于葉綠體。因此,從碳計量比較,GCGT捷徑相對于GOC支路更具優勢。此外,GCGT捷徑産生的H2O2比GOC支路少了2/3。

GCGT捷徑與GOC支路設計示意圖

注:紅色爲引入的支路;黑色爲光呼吸代謝途徑

  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、生物量和産量,並證明該表型的出現主要是由于在葉綠體內形成了類似于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,限制了其增産潛力的最大化發揮。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,盡管提高光合效率毋容置疑可提高生物量和産量,但要大幅度提高作物的籽粒産量還要充分考慮光合産物的轉運效率。

  该研究合成的GCGT 光呼吸支路主要通过提高叶绿体二氧化碳浓度来促进水稻的光合作用,进而提高水稻的生物量和籽粒产量。未来提高碳水化合物向籽粒的运输效率,提高结实率有望进一步提高水稻的产量。另外,推测GCGT捷径应用于马铃薯、甘薯、木薯等块茎类作物可能会有更好的提升产量的效果。

  亚热带农业生物资源保护与利用國家重點實驗室博士研究生王丽敏和博士後沈博然为该論文的共同第一作者,彭新湘研究员为通讯作者。华南农业大学刘耀光院士团队提供了多基因表达载体。该研究受到广东省基础与应用基础研究重大项目(2019B030302006)与国家自然科学基金项目(31770256)的资助。(文图/生命科学学院 张智胜) 



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