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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在光合合成生物学领域实现了重要突破。他们设计了一种新型的碳氮代谢与光呼吸耦合的旁路，从而提高了光呼吸过程中能量和碳氮的利用效率。这项研究为开发环保且高产的水稻品种提供了新思路。相关研究成果发表在国际权威学术期刊《植物细胞（The Plant Cell）》上，题为Synthetic photorespiratory bypass improves rice productivity by enhancing photosynthesis and nitrogen uptake的研究论文。由于C4作物拥有二氧化碳浓缩机制，几乎不发生光呼吸，而C3作物的光呼吸会导致约30%已固定碳的损失，导致其光合效率和产量低于C4作物。如何有效减少C3作物中的光呼吸以及由此引发的碳氮代谢失衡问题，是科学界面临的一个重大挑战。
研究人员采取了“自上而下”的理性设计方案，在水稻中成功构建了两种全新的碳氮代谢耦合光呼吸旁路。这些旁路能够在不释放二氧化碳的情况下于叶绿体内高效运作。进一步的生理生化实验显示，引入这一旁路可以将叶绿体内的乙醇酸转化为草酰乙酸，进而促进氨基酸、能量及糖类的合成，并显著提高水稻的光合作用效率和氮素利用率。田间试验结果表明，在正常生长条件下，具有这种改良特性的水稻产量较野生型提高了19.0%，而在低氮环境下，增产幅度最高可达44.1%。该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、节省肥料且适应性更强的水稻新品种提供了理论依据。
碳氮代谢耦合光呼吸旁路GCBG工程化图
中国农业科学院生物技术研究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和中国农业科学院创新工程等项目的资助。
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