根据1月10日发表在“分子植物”杂志上的一项研究，一种新的生物工程方法可以提高水稻的光合作用，可以使谷物产量提高27%。这种被称为GOC旁路的方法使用CO2富集植物细胞，否则这些CO2会通过称为光呼吸的代谢过程而丢失。基因工程植物更绿，更大，在田间条件下表现出更高的光合效率和生产力，在明亮的光线下具有特别的优势。

“与世界人口增长相关的粮食短缺将成为我们这个星球必须面对的严重问题，”中国广州华南农业大学的高级研究作者彭新祥说。“我们的研究可以通过显着提高水稻产量来对这一问题产生重大影响，特别是对于光线明亮的地区。”

作为世界主食作物的水稻的生物工程改良具有很高的实际重要性，特别是鉴于由于世界人口增长和可耕种土壤的减少而需要提高作物生产力。但是近年来水稻和其他几种主要作物的产量增加很少，作物产量似乎达到了最大潜力的上限。

提高主要作物产量潜力的主要遗传方法侧重于光合作用，其中CO2和水转化为O2的生化过程和促进植物生长的富含能量的糖化合物。增加光合作用的一种方法是绕过光呼吸，这是一种依赖于光的过程，其中吸收O2并释放CO2。光呼吸的成本是巨大的。消除光呼吸可导致光合作用增加55%，将光呼吸置于中心阶段以试图提高光合效率和产量。

在过去几年中，已将三个光呼吸旁路引入植物中，其中两个导致光合作用和生物量产量的可观察到的增加。但是大多数实验是使用模式生物拟南芥进行的，并且通常在环境控制的，低光照和短日照条件下观察到增加。“据我们所知，我们的研究是第一个测试水稻光呼吸旁路的研究，”共同作者，旧金山州立大学的郑正辉说。

在这项新研究中，研究人员开发出一种战略基本上转移CO2的光呼吸光合作用。它们转换被叫乙醇酸分子，其经由光呼吸作用产生，到CO2使用三个大米酶：乙醇酸氧化酶，草酸氧化酶，过氧化氢酶和。为了部署以三种酶命名的GOC旁路，研究人员将编码酶的基因引入水稻叶绿体 - 细胞器，其中光合作用发生在植物细胞中。

结果，与正常相比，光呼吸速率被抑制了18%-31%，并且净光合速率增加了15%-22%，这主要是由于用于光合作用的更高浓度的细胞CO2。与未经基因改造的植物相比，GOC植物始终更环保，更大，地上干重高出14%-35%。此外，淀粉粒的大小增加了100%，每个细胞的数量增加了37%。在春季播种季节，粮食产量提高了7%至27%。

展望未来，研究人员计划通过在其他水稻品种中使用相同的代谢旁路来优化田间工程化植物的性能。他们还想对其他农作物如土豆采用相同的方法。

“经过独立研究人员和政府机构的进一步评估，我们的工程化工厂可以在更大范围内部署，”彭说。“尽管我们认为这种方法不会影响这些植物的味道，但营养品质和口味尚未得到独立实验室和政府机构的全面评估。”

这项工作得到了国家自然科学基金和广州市科技项目的支持。