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《Science》文章导读 | LI-6800系统助力科学家研究作物增产

来源: 发布时间:2019-01-07 16:21:05 点击数: 使用提问咨询价格

原文以Scientists engineer shortcut for photosynthetic glitch, boost crop growth 40%为标题发表于2019年1月3日的https://www.igb.illinois.edu/上

原文作者:Claire Benjamin

翻译:毅

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研究者使用LI-6800评估作物增产效果
图源/https://twitter.com/clairebenji

 
        作物通过光合作用可以将太阳能转化为有机物,但是大多数C3作物的光合作用并不完美。在光合作用过程中,Rubisco酶会参与其中。它除了可以催化羧化反应外,还可以和氧气结合,生成一种对作物来说有害的物质——乙醇酸。C3作物为了解决这个问题,进化出了一种称之为光呼吸(Photorespiration)的代谢途径,可以将有害物质乙醇酸代谢掉,保护植物体免受损伤。然而,这一代谢过程耗能很多,限制了作物的生产潜力。今天,伊利诺伊大学和美国农业部的研究人员们在顶尖学术期刊《科学》上撰文,他们使用合成生物学的方法,重新设计光呼吸过程,实现了作物生长量40%的提高。
 
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        首席研究员Donald Ort以及Robert Emerson教授说,“每年,仅美国中西部地区,作物光呼吸过程所消耗的能量,就够再养活两亿人。如果我们有办法在全球范围内回收这一过程的部分能量,就能解决21世纪由人口增长所引发的粮食危机问题。”

        这一里程碑式的研究,是“实现光合效率增加RIPE”项目中的一部分。这一国际研究项目由比尔及梅林达·盖茨基金会、粮食和农业研究基金会(FFAR)以及英国政府的国际发展部(DFID)资助,旨在通过生物工程的方法,提高作物的光合效率,实现全球范围内粮食产量的稳步提高。
 
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LI-6800高级光合作用测量系统
图源/https://twitter.com/martijn_slot

        光合作用使用Rubisco酶,这一地球上最丰富的蛋白质和太阳光将二氧化碳和水转变成糖,促进植物的生长。然而,几千年来,Rubisco酶已经成为自身成功的“牺牲品”,因为光合作用使得大气中氧气含量增加。Rubisco酶无法有效的区分这两种气体分子,它在大约20%的时间内捕获氧气而不是二氧化碳,导致植物毒性化合物必须通过光呼吸过程实现再循环。

        “光呼吸会显著削弱光合作用。”第一作者Paul South说。他参与了伊利诺伊的RIPE项目,是农业研究局的一名分子生物学家。“它消耗了植物体大量的能量,而这些能量本可以用于光合作用。”

        光呼吸通常需要通过植物细胞中的三个隔室,具有复杂的代谢过程。研究者们设计出了替代方式,改变了这一过程,大大缩短了途径,节省了大量资源,从而可促进作物40%的生长。并且,这是第一次在野外环境条件下获得的实验数据。
 
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烟草中的替代光呼吸途径


        “和巴拿马运河提高了贸易效率一样,这些光吸收捷径是生物工程的一项壮举。它验证了一种可极大提高光合作用效率的独特方法。” RIPE主任Stephen Long说。

        该团队设计了三条替代路线来取代迂回的原生路径。为了优化新途径,他们使用不同的启动子和基因设计了遗传构建体,从根本上创建了一套独特的路线图。

        经过两年多的重复实地研究,他们发现这些工程植物发育得更快,长得更高,生物量增加了约40%。
 
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作物长势对比 图源/https://twitter.com/clairebenji

        该团队测试了他们在烟草中的假设。之所以选择烟草,是由于烟草是一种理想的模式植物,因为它比其他食物类作物更容易修改和测试。目前,该团队正在整理这些研究结果,目标是在食物类作物如大豆,豇豆,大米,马铃薯,番茄和茄子中进行验证。
 

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