合成的乙醇酸代谢途径刺激作物生长和田间生产力科学
修复光合效率低下的问题
在一些我们最有用的作物（如水稻和小麦）中，光合作用产生有毒副产物，降低其效率。光呼吸处理这些副产品，将它们转化为代谢有用的成分，但代价是能量损失。南等人。在转基因烟草植物中构建了一个代谢途径，可以更有效地重新捕获光合作用的非生产性副产物，同时减少能量损失（参见Eisenhut和Weber的Perspective）。在田间试验中，这些转基因烟草植物的生产力比野生型烟草植物高约40％。
结构化的摘要
介绍
满足不断增长的全球人口对粮食的需求需要提高作物生产力，并且通过提高光合效率可以获得巨大的收益。光合作用需要通过核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶 – 加氧酶（RuBisCO）羧化核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP），但光呼吸发生在大多数植物如大豆，水稻和小麦（称为C 3作物） ）当RuBisCO氧化RuBP时，需要昂贵的有毒副产物如乙醇酸盐的处理。光呼吸可使C 3作物的光合效率降低20％至50％。尽管存在降低光呼吸成本的各种策略，但在叶绿体内具有改变的光呼吸途径的室和温室生长的植物已经显示出有希望的结果，包括增加的光合速率和植物大小。
基本原理
为了确定替代的光呼吸途径是否能够有效地提高C 3田间作物的产量，我们测试了田间种植烟草中三种替代光呼吸途径的性能。一种途径使用来自大肠杆菌乙醇酸氧化途径的五种基因;第二种途径使用来自植物的乙醇酸氧化酶和苹果酸合酶以及来自大肠杆菌的过氧化氢酶;第三种途径使用植物苹果酸合成酶和绿藻乙醇酸脱氢酶。替代途径设计中的所有酶都针对叶绿体。 RNA干扰（RNAi）也用于下调光呼吸途径中的天然叶绿体乙醇酸转运蛋白，从而限制通过天然途径的代谢物通量。将这三种途径与转运蛋白RNAi构建体一起引入和不引入烟草，这是一种理想的模式田间作物，因为它易于转化，生命周期短，产生大量种子，并形成类似于其他种子的坚固冠层。大田作物。
结果
使用合成生物学方法改变启动子基因组合，我们在有和没有转运蛋白RNAi构建体的情况下产生了三种途径的总共17种构建体设计。在高光响应应力条件下通过旁路途径功能进行光保护的初始筛选鉴定了每种设计的三至五个独立转化体用于进一步分析。基因和蛋白质表达分析证实了引入的基因的表达和RNAi植物中天然转运蛋白的抑制。在温室筛选中，途径1使生物量增加了近13％。与野生型相比，途径2没有显示出益处。路径3的引入使生物量增加18％而没有RNAi，24％增加RNAi，这与光呼吸代谢的变化和更高的光合速率一致。最终，在两个不同生长季节的田间试验显示，与野生型相比，途径3植物的生物量增加> 25％，并且RNAi生产力增加> 40％。此外，该途径在田间将光合作用的光利用效率提高了17％。
结论
设计更有效的光呼吸途径进入烟草，同时抑制天然途径显着提高光合效率和营养生物量。我们乐观地认为，可以实现类似的收益并转化为C 3谷类作物的增产，因为光呼吸对于所有C 3植物是常见的，并且在升高的CO 2下更高的光合速率，其抑制光呼吸并且增加C 3作物的可收获产量。
三种替代途径[1（红色），2（深蓝色）和3（浅蓝色）]引入烟草叶绿体中，以更有效地回收乙醇酸。 RNAi抑制天然乙醇酸/甘油酸转运蛋白PLGG1以防止乙醇酸离开叶绿体并进入天然途径（灰色）。
抽象
在C 3植物中需要光呼吸以代谢当核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶 – 氧化酶氧化而不是羧酸化核酮糖-1,5-二磷酸酯时形成的有毒乙醇酸。根据生长的温度，光呼吸可以使C 3作物的产量降低20％至50％。受早期工作的启发，我们在烟草叶绿体中安装了合成的乙醇酸代谢途径，这些代谢途径被认为比天然途径更有效。通过合成途径的通量通过抑制叶绿体中的乙醇酸盐输出而最大化。测试的合成途径将光合量子产率提高了20％。在重复田间试验中，许多纯合转基因株系使生物量生产力提高了> 40％。这些结果表明，工程替代乙醇酸代谢途径进入作物叶绿体，同时抑制乙醇酸盐输出到天然途径可以推动农业田间条件下C 3作物产量的增加。
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