近日，中国农业科学院生物技术研究所作物高光效功能基因组创新团队在《先进科学(Advanced Science)》发表了题为“A synthetic facultative CAM-like shuttle in C3 rice plants”的研究论文，首次创制了既具有C3光合途径，又具有景天酸（CAM）的代谢模式的水稻新种质，为培育高光效高产水稻开辟了新路径。植物界有三大固碳形式：C3、C4和CAM。CAM植物在时间上将CO2捕获和Rubisco羧化分离，即在夜晚打开气孔，进行CO2的固定，并以苹果酸的形式储存在液泡中；而在白天关闭气孔，储存的苹果酸进行脱羧反应，在Rubisco附近形成高CO2浓度的环境，促进Rubisco催化的羧化固碳反应。CAM植物这种固碳机制，赋予了其更耐受高温、干旱以及增产潜力。但是如何在C3植物中实现CAM工程化一直是科学界亟待攻克的难题。本研究利用基因编辑和多基因叠加的合成生物技术，设计了一条兼性CAM代谢通路模块，包含气孔调节模块、羧化模块、脱羧模块和苹果酸转运模块（图1）。在C3水稻中创建了兼性CAM的代谢通路（facultative CAM bypass，CBP），在同一体内实现C3循环和CAM循环的兼容（图1）。这为在C3水稻中实施CAM工程化提供了积极的探索。
图1兼性景天酸代谢通路示意图该研究还进一步探讨了所创制的兼性CAM代谢通路如何影响植物体内的代谢。苹果酸是CAM途径的关键代谢物。苹果酸在CBP水稻材料中表现出夜间显著积累。HPLC靶向代谢物分析显示，苹果酸流向柠檬酸循环的通量增加，并促进了柠檬酸循环（图2）。
图2 CBP植株的靶向代谢物分析气体交换测定表明，CBP植株表现出更高的光合效率和固碳能力，净光合速率提高约21%和羧化效率提高约27%（表1）。表1 CK和CBP植株的光合参数
此外，所创制的CBP植株的生物量和单株产量分别提高约20%（图3）。小区实验显示，CBP植株小区产量增加了14.6%-21.3%，生物量增加了12.1%-19.4%（图4）。然而，以气孔开放的slac1突变体作为底盘，虽然促进了CO2进入叶肉细胞并增强固碳，但抗旱性并没有提高。未来，可通过对气孔调节模块的精细优化，来降低水分蒸发，实现光合效率、产量和抗旱性的共同提升。
图3 CBP植株的的农艺性状评估
图4 CBP植株的的产量评估中国农业科学院生物技术研究所博士研究生吴苏亭和金楷宁为论文共同第一作者，中国农业科学院生物技术研究所路铁刚研究员和张治国研究员为论文通讯作者。该研究得到科技创新2030重大项目（2024ZD04080）和中国农业科学院创新工程等项目的资助。
论文链接： https://doi.org/10.1002/advs.202500418
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