2020年10月16日，77779193永利官网教师王丽敏博士在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(https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(20)30353-1)。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）四个酶导入水稻并定位到叶绿体中，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，因此亦可称为光呼吸捷径（以下简称GCGT捷径）。此捷径的引入显著提高了水稻的光合效率、生物量和产量。

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。通过降低光呼吸速率来提高植物的光合效率具有很大的潜能。GCGT捷径的总反应是将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）。

图1 GCGT捷径设计示意图

注：红色为引入的支路；黑色为光呼吸代谢途径

GCGT捷径的引入显著提高了水稻的光合效率、生物量和产量，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。但存在结实率降低的问题，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。

综上所述，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。未来通过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。

77779193永利官网王丽敏博士和华南农业大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室博士后沈博然为该论文的共同第一作者，华南农业大学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。该研究由广东省基础与应用基础研究重大项目、国家自然科学基金项目提供资助。