植物通過(guò)光合作用將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為能量; 然而，地球上的大多數(shù)作物都受到光合作用的干擾的困擾，為了解決這個(gè)問(wèn)題，進(jìn)化出了一種稱為光呼吸的能量昂貴的過(guò)程，大大抑制了它們的產(chǎn)量潛力。伊利諾伊大學(xué)和美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局的研究人員在“ 科學(xué) ”雜志上報(bào)道說(shuō)，用光呼吸快捷方式設(shè)計(jì)的作物在現(xiàn)實(shí)世界農(nóng)藝條件下的產(chǎn)量提高了40%。

伊利諾伊州Carl R. Woese基因組研究所的Robert Emerson植物科學(xué)和作物科學(xué)教授Donald Ort說(shuō)：“我們每年可以為美國(guó)中西部地區(qū)的光呼吸所消耗的卡路里增加2億人。”生物學(xué)。“在全球范圍內(nèi)回收這些卡路里中的一部分將大大有助于滿足21世紀(jì)人口增長(zhǎng)和更富裕的高熱量飲食帶來(lái)的快速增長(zhǎng)的食品需求。”

這項(xiàng)具有里程碑意義的研究是實(shí)現(xiàn)光合效率增加(RIPE)，一個(gè)國(guó)際研究項(xiàng)目，是工程的一部分農(nóng)作物更有效地進(jìn)行光合作用，以可持續(xù)地提高全球糧食產(chǎn)量與比爾和梅林達(dá)·蓋茨基金會(huì)，該基金會(huì)為糧食和農(nóng)業(yè)研究的支持( FFAR)和英國(guó)政府的國(guó)際發(fā)展部(DFID)。

光合作用使用Rubisco這種行星最豐富的蛋白質(zhì)和陽(yáng)光能量來(lái)將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為糖，從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)和產(chǎn)量。幾千年來(lái)，Rubisco已經(jīng)成為自身成功的犧牲品，營(yíng)造出富含氧氣的氛圍。無(wú)法可靠地區(qū)分這兩種分子，Rubisco在大約20%的時(shí)間內(nèi)捕獲氧氣而不是二氧化碳，導(dǎo)致植物毒性化合物必須通過(guò)光呼吸過(guò)程再循環(huán)。

“光呼吸是抗光合作用，”主要作者Paul South說(shuō)，他是農(nóng)業(yè)研究服務(wù)的研究分子生物學(xué)家，他在伊利諾伊州的RIPE項(xiàng)目上工作。“它花費(fèi)了寶貴的能源和資源，它可以投資于光合作用，以產(chǎn)生更多的生長(zhǎng)和產(chǎn)量。”

光呼吸通常需要通過(guò)植物細(xì)胞中的三個(gè)隔室的復(fù)雜途徑?？茖W(xué)家設(shè)計(jì)了替代途徑來(lái)改變這一過(guò)程，大大縮短了行程，節(jié)省了足夠的資源，使植物生長(zhǎng)增加了40%。這是第一次在真實(shí)的農(nóng)藝條件下測(cè)試工程光呼吸固定裝置。

“就像巴拿馬運(yùn)河是提高貿(mào)易效率的工程壯舉一樣，這些光吸收捷徑是植物工程的一項(xiàng)壯舉，它證明了一種極大的方法可以大大提高光合作用的效率，”RIPE主任Stephen Long說(shuō)道，Ikenberry Endowed伊利諾伊州作物科學(xué)和植物生物學(xué)大學(xué)主席。

該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了三條替代路線來(lái)取代迂回的原生路徑。為了優(yōu)化新途徑，他們使用不同的啟動(dòng)子和基因設(shè)計(jì)基因構(gòu)建體，基本上創(chuàng)建了一套獨(dú)特的路線圖。他們對(duì)1,700家工廠的這些路線圖進(jìn)行了壓力測(cè)試，以擊敗表現(xiàn)最佳的工廠。

經(jīng)過(guò)兩年多的重復(fù)實(shí)地研究，他們發(fā)現(xiàn)這些工程植物發(fā)育得更快，長(zhǎng)得更高，生產(chǎn)的生物量增加了約40%，其中大部分都發(fā)現(xiàn)在50%以上的莖中。

該團(tuán)隊(duì)測(cè)試了他們?cè)跓煵葜械募僭O(shè)：一種理想的作物研究模型植物，因?yàn)樗仁澄镒魑锔菀仔薷暮蜏y(cè)試，但與其他植物模型不同，它開發(fā)了一種葉冠，可以在田間進(jìn)行測(cè)試。現(xiàn)在，該團(tuán)隊(duì)正在翻譯這些研究結(jié)果，以提高大豆，豇豆，大米，馬鈴薯，番茄和茄子的產(chǎn)量。

“Rubisco在從氧氣中吸收二氧化碳時(shí)更加困難，因?yàn)樗兊酶鼰幔瑢?dǎo)致更多的光呼吸，”共同作者，伊利諾斯州研究員，負(fù)責(zé)RIPE項(xiàng)目的博士后研究員Amanda Cavanagh說(shuō)。“我們的目標(biāo)是建立能夠在今天和未來(lái)吸收熱量的更好的植物，幫助農(nóng)民獲得養(yǎng)活世界所需的技術(shù)。”

雖然這項(xiàng)技術(shù)可能需要十多年的時(shí)間才能轉(zhuǎn)化為糧食作物并獲得監(jiān)管部門的批準(zhǔn)，但RIPE及其贊助商致力于確保小農(nóng)，特別是撒哈拉以南非洲和東南亞的小農(nóng)戶免費(fèi)享受免稅獲得項(xiàng)目的所有突破。