四株野生植物（左側）與四株（右側）經過工程修改的植物。圖片來源: Claire Benjamin/RIPE Project
植物通過光合作用將陽光轉化為能量。然而，地球上大多數植物都受到光合作用產生的毒副作用干擾。為了解決這個問題，植物自身進化出一種稱為光呼吸的能量損失過程，極大地抑制其產量潛力。近日，美國伊利諾伊大學和美國農業部農業服務機構的研究人員稱，他們在現實農業條件下，利用光呼吸捷徑設計的作物產量提高了40%。這項研究1月4日已發表在《Science》上。
研究通訊作者、伊利諾伊大學首席研究員植物與作物科學教授Donald Ort說：“我們每年可以用光呼吸損失的熱量來養活2億人。在全世界範圍內，即使只是挽回這些熱量損失的一部分，對滿足21世紀快速增長的食物需求（由人口增長和高熱量飲食所驅動）來說也將有很大的幫助。”
這項里程碑式的研究屬於“實現光合作用效率提升（RIPE）”研究的一部分。RIPE是一個國際研究項目，目的是用工程手段更有效地利用光合作用，從而持續提高全球糧食生產力。RIPE由比爾和梅林達蓋茨基金會、美國食品和農業研究基金會(FFAR)和英國政府的國際發展部(DFID)資助。
光合作用利用核酮糖二磷酸縮化酶（Rubisco，地球上最豐富的蛋白質）和太陽能，將二氧化碳和水轉化為糖，從而促進植物生長和產量。幾千年來，Rubisco已成為自我犧牲的成功典範，創造了一個富氧的環境。由於無法準確識別氧氣和二氧化碳，Rubisco大約有20%的時間會吸收氧氣而非二氧化碳，從而產生一種植物有毒化合物，必須通過光呼吸過程進行回收。
該研究第一作者、美國農業部的分子生物學家Paul South說：“光呼吸是抗光合作用的。它消耗了植物寶貴的能量和資源，而這些能量本可以用於光合作用以實現更高的產量。”
光呼吸通常需要通過植物細胞中的三個隔室進行復雜的途徑。研究人員設計了替代途徑來改變這一過程，顯著縮短這一過程，節省了足夠的資源能促進植物生長40%。這是第一次在現實農業條件下對工程光呼吸固定裝置進行測試。
RIPE項目的負責人、Ikenberry Endowed大學農作物科學和植物生物學系主任Stephen Long教授說：“就像巴拿馬運河是提高貿易效率的工程壯舉一樣，這些光呼吸捷徑是植物工程的壯舉，證明一個獨特的手段極大提高了光合作用效率。”
該研究團隊使用合成生物學方法改變啟動子基因組合，在有和沒有轉運蛋白RNAi構建體的情況下產生了三種途徑的總共17種構建體設計。通過一系列測試，從中篩選出表現最好的途徑。
經過兩年的重複實地研究，與野生型相比，他們發現工程改造的植物發育得更快、更高，產量增加了至少25%，並且生產力增加40%。此外，該途徑在田間將光合作用的光利用效率提高了17％。
研究團隊利用菸草對他們的假設進行測試：菸草對於農作物研究來說是理想的植物模型，因為它比食用作物更容易修改和測試，但與其他植物模型不同的是它能夠發育出葉冠並可以在田間測試。現在，該團隊正在轉化這一研究成果，以提高大豆、豇豆、大米、馬鈴薯、番茄和茄子的產量。
該研究作者之一、RIPE項目的博士後研究員Amanda Cavanagh說：“隨著溫度升高，Rubisco更難從氧氣中識別二氧化碳，會導致更多的光呼吸。我們的目標是構建更好的植物，在今天和將來都能吸收熱量，幫助農民們掌握他們養活世界所需的技術。”
儘管這項技術轉化為糧食作物並獲得監管部門的批准可能需要10多年的時間，但是RIPE及其贊助者致力於確保小規模種植的農民，尤其是撒哈拉以南非洲和東南亞的農民，讓他們免費且免稅享受獲得該項目的所有突破。
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