彭新湘课题组在水稻高光效新种质创制上再立新功

审核发布:宣传部 蒙丽 来源单位及审核人:生命科学学院 陈乐天 发布时间:2020-10-19浏览次数: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国家重点实验室、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”的研究论文。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(论文在线网址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”的研究论文。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捷径是在水稻中成功创建的第二条光呼吸代谢支路,将2分子的乙醇酸转变成1分子的甘油酸和1分子的CO2,与内源光呼吸途径一样回收了3/4的碳(图1);而GOC支路的总反应是将2分子的乙醇酸全部转变成CO2释放于叶绿体。因此,从碳计量比较,GCGT捷径相对于GOC支路更具优势。此外,GCGT捷径产生的H2O2比GOC支路少了2/3。

GCGT捷径与GOC支路设计示意图

注:红色为引入的支路;黑色为光呼吸代谢途径

  彭新湘课题组成功在水稻中创建了两条光呼吸代谢支路,均显著提高了水稻的光合效率、生物量和产量,并证明该表型的出现主要是由于在叶绿体内形成了类似于C4植物的CO2浓缩机制。但两条支路均出现结实率降低的问题,限制了其增产潜力的最大化发挥。本文对此问题进行了初步探索,通过转录组、生理生化分析表明结实率的降低与碳水化合物的转运不畅有关。因此指出,尽管提高光合效率毋容置疑可提高生物量和产量,但要大幅度提高作物的籽粒产量还要充分考虑光合产物的转运效率。

  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国家重点实验室博士研究生王丽敏和博士后沈博然为该论文的共同第一作者,彭新湘研究员为通讯作者。足球比分网,即时比分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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