综述：植物中光呼吸旁路的设计与工程

光呼吸是C3植物重要代谢过程，但会导致高达30%的碳损失。本文综述了合成生物学设计的三类光呼吸旁路：叶绿体定位的碳释放旁路（建立CO2浓缩机制）、碳中性旁路（整合氮代谢）、碳增益旁路（实现净碳固定）。部分旁路通过重定向甘油酸代谢流向生产氨基酸、有机酸等高价值产物。这些策略通过代谢重编程有效克服光呼吸限制，提升光合效率，为C3作物增产提供新途径。

　　

张丽英|金凯宁|张志国|卢铁刚

中国农业科学院生物技术研究所，北京100081，中国

摘要

光呼吸是C₃植物中一个必不可少的代谢过程，但它会导致高达30%或更多的碳损失。合成生物学最近使得设计多种光呼吸旁路成为可能，以克服这一限制。在这篇综述中，我们根据甘油酸碳的保留和CO₂的释放方式，将这些旁路分为三大类。第一类是位于叶绿体中的碳释放旁路，它们将CO₂的释放从线粒体转移到叶绿体，从而在Rubisco周围建立了一个局部CO₂浓缩机制。第二类是碳中性旁路，在甘油酸代谢过程中保留碳，从而避免净碳损失，并且通常将这些旁路与氮同化过程耦合。第三类是碳正向旁路，它们不仅最小化碳损失，还能实现净碳增益。我们还强调了一些将甘油酸流向更有价值代谢物（如氨基酸和有机酸）生产的旁路。这些策略表明，通过重新编程甘油酸代谢，可以克服C₃植物中固有的光呼吸限制并提高光合效率。总体而言，这篇综述概述了目前在模式植物和作物中抑制光呼吸的遗传策略，并为未来光呼吸旁路的优化和合理设计提供了指导。

引言

随着全球人口预计在2050年超过90亿（von Caemmerer等人，2012年；Ort等人，2015年；South等人，2018年），全球对食物的需求正在上升。然而，主要作物的产量增长率仍不足以满足未来的需求（Ray等人，2013年）。水稻（Oryza sativa L.）是一种主要的粮食作物，养活了超过30亿人；因此，它是高产育种策略的关键目标。自绿色革命以来，传统的育种方法在产量提升方面已达到极限。因此，光合效率已成为进一步提高产量的主要焦点（Long等人，2006年，2015年；Zhu等人，2010年；N?lke等人，2014年）。在C₃光合作用中，参与CO₂固定的核心酶是核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）。它催化核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）的羧化反应，将其转化为两个3-磷酸甘油酸（3-PGA）分子。这一反应启动了Calvin–Benson–Bassham（CBB）循环，这是光合碳同化的核心机制，最终构成了作物产量的基础。然而，Rubisco同时也具有加氧酶的功能，会产生一个3-PGA分子和一个2-磷酸甘油酸（2-PG）分子，后者是一种需要通过光呼吸代谢的有毒副产物（图1）。这种竞争性反应使RuBP偏离CBB循环，导致之前固定的碳和能量的损失，从而限制了C₃植物的光合性能（Hauser等人，2015年）。因此，最小化光呼吸损失是提高光合效率和实现可持续产量提升的有效策略（South等人，2019年；Roell等人，2021年）。

光呼吸是一种代谢途径，通过这一途径2-PG在一系列反应中被解毒。在这个过程中，2-PG首先被转化为甘油酸，然后通过质体甘油酸-甘油酸转运蛋白1（PLGG1）从叶绿体运输到过氧化物酶体（Somerville和Ogren，1979年）。甘油酸随后被甘油酸氧化酶氧化为甘油醛，再通过谷氨酸和丝氨酸氨基转移酶（GGAT/SGAT）进行转氨基作用转化为甘氨酸。甘氨酸被输送到线粒体，在那里甘氨酸裂解系统将其转化为丝氨酸，释放出CO₂和NH₃。丝氨酸返回过氧化物酶体，在那里被转化为甘油酸。最后，甘油酸通过PLGG1转运蛋白重新运输回叶绿体，在那里进行磷酸化，然后重新进入CBB循环（Bauwe等人，2010年；Pick等人，2013年；South等人，2017年）。光呼吸的进化意义在于使植物能够适应高O₂/低CO₂环境。然而，这一过程会导致碳损失（高达30%）和能量消耗，对植物的光合性能产生负面影响（Hagemann和Bauwe，2016年）。在非生物胁迫条件下，如高温、干旱或低CO₂水平下，光呼吸造成的碳损失可能会更加严重，在某些情况下甚至超过50%（Walker等人，2016年；South等人，2018年）。光呼吸过程中释放的CO₂和NH₃需要通过复杂的代谢过程重新同化。这种重新同化消耗大量的ATP和还原当量，最终可能导致植物获得的碳和氮的净损失（Bloom，2015年）。每个完整的光呼吸循环需要12.5个ATP当量来促进CO₂的再固定和NH₃的重新同化（Bloom，2015年；Trudeau等人，2018年）。这种高能量需求凸显了光呼吸的固有低效率。

尽管如此，光呼吸仍然是不可或缺的，因为它在连接碳和氮代谢中起着关键作用（Segura Broncano等人，2023年）。在线粒体中将甘氨酸转化为丝氨酸的过程中，会释放NH₃，后者随后通过谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶（GS/GOGAT）循环重新同化为氨基酸（Wingler等人，2000年）。因此，虽然抑制光呼吸可以有效地减少碳损失，但也可能扰乱植物内的氮代谢。因此，一种更有效的方法是部分抑制光呼吸，而不是完全消除这一途径。在这种情况下，设计绕过光呼吸的人工合成途径（所谓的“光呼吸旁路”）已成为一种有前景的策略，可以以更依赖碳和更节能的方式重新构建甘油酸代谢，从而提高植物的光合性能。

合成生物学的最新进展加速了工程化光呼吸旁路的发展，为克服这些限制创造了新的机会。这篇综述全面概述了当前的策略，重点介绍了基于旁路设计原则和碳命运的分类。具体来说，我们讨论了三种主要类型的合成光呼吸旁路：位于叶绿体中的碳释放旁路、碳中性旁路和碳正向旁路。我们还强调了一些重新分配碳的旁路，将甘油酸流导向更有价值的代谢物。这些策略共同展示了重新编程甘油酸代谢以增加C₃作物光合作用和实现可持续产量提升的巨大潜力。

小节片段

位于叶绿体中的碳释放旁路，在Rubisco周围建立CO₂浓缩机制

大多数报道的经典光呼吸旁路的核心策略是重新定向甘油酸代谢，将光呼吸产生的CO₂释放从线粒体转移到叶绿体。这些旁路创建了局部CO₂浓缩机制（CCMs），增加了Rubisco周围的CO₂可用性，从而提高了羧化效率和光呼吸碳的再固定。最早报道的位于叶绿体中的CO₂释放光呼吸旁路被称为GGT旁路

整合氮代谢的碳中性旁路

尽管位于叶绿体中的光呼吸旁路通过重建甘油酸代谢和建立叶绿体CCM在一定程度上提高了光合效率和产量，但并非所有释放的CO₂都能被有效再固定。因此，这些旁路仍然会导致一些碳损失。因此，进一步的策略是尽量减少光呼吸碳损失，最终实现净零碳损失。此外，光呼吸与氮代谢紧密相关

实现额外碳固定的碳正向旁路

与其简单减少或中和碳损失，不如设计一种将光呼吸转化为净碳正向过程的概念。这一策略扩展了植物中碳增益的潜力，最终有助于产量提升。一个代表性的创新是tartronyl-CoA（TaCo）途径，该途径已在体外得到成功验证，包括三个核心酶促反应，将甘油酸转化为

将流量导向有价值代谢物的光呼吸旁路

光呼吸工程的最新进展将Rubisco氧化产生的有毒副产物甘油酸转化为有价值的代谢中间体。通过重新定向光呼吸碳流，工程化的旁路使得甘油酸能够转化为促进植物生长和提高抗逆性的化合物。甜菜碱（N,N,N-三甲基甘氨酸）是一种无毒的渗透调节剂，可以在细胞内快速运输，并且已知能显著提高植物的耐旱性

光呼吸旁路之间的性能权衡

光呼吸旁路在碳经济、能量成本和代谢稳健性方面存在显著差异，这些差异共同决定了它们在特定生理或农艺条件下的适用性。从碳保留和能量成本的角度比较光呼吸旁路（图3）有助于解释为什么某些途径在田间表现相对稳定，而其他途径可能需要严格调控或在作物中面临技术挑战。

在

结论与展望

工程化光呼吸旁路，如GOC、GCGT、AP3和GCBG，明显提高了水稻的光合效率和产量潜力。然而，将这些概念成果转化为稳健且广泛应用的农艺效益仍面临许多挑战。主要限制包括旁路在不同物种间的普遍适应性、不同类型旁路中C–N平衡的协调、关键酶活性的精确优化以及旁路在

未引用的参考文献

Bowes等人，1971年；Eisenhut等人，2008年；Schwander等人，2016年。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了科技创新2030重大项目（2023ZD04076）和中央非营利性科学机构基础研究基金（Y2025YY06和Y2025YC65）的支持。