Plant Biotechnol. J| C4水稻迈向现实的第一步
一项旨在培育高产高效水稻品种的国际长期研究合作，已经成功地将玉米的部分光合作用装置安装到水稻上。
我们将玉米中编码C4光合途径中5种酶的5种基因组合成一个单一的基因结构，并将其安装到水稻植株中，”首席作者Maria Ermakova博士说，她是牛津大学领导的国际C4水稻项目的一部分。
水稻是世界上主要的粮食作物之一，它使用效率较低的C3光合途径。科学家预测，将更高效的C4光合作用性状引入水稻，有可能使水稻的光合效率提高50%，提高氮素利用效率，并使水分利用效率加倍。
“尽管要引进制造C4水稻所需的所有基因还有很长的路要走，但这是我们在水稻中组装功能性C4生物化学的第一篇论文，这是非常令人兴奋的，”ARC翻译光合作用卓越中心（CoETP）的Ermakova博士说。
利用合成生物学，科学家可以同时引入几个基因，在一年内培育出一株植物，并在几个月内迅速制造出原型，重新设计它们的“结构”。与之形成鲜明对比的是，使用旧的方法，每次插入一个基因，可能需要几年时间。
CoETP的副主任Susanne von Caemmerer教授说：“对我来说，这篇论文最重要的方面是，我们已经掌握了有助于我们迈向C4稻米的技术，现在我们可以以比以往任何时候都更快的速度进入下一个阶段。”。
通过使用Hal Hatch在1966年发现C4途径时使用的相同技术，马克斯·普朗克研究所的研究团队能够在通过途径的过程中追踪标记的CO2。
“这是另一个关键结果，因为我们能够通过C4途径证明二氧化碳是固定的。换句话说，我们实现了基因表达，但我们也使参与其中的酶在植物中活跃并起作用。
她说：“即使我们生产的植物还不能像C4一样高效地运转，但我们现在知道它们的光合作用的一部分正在通过C4途径进行。”
ANU C4水稻项目节点负责使用分子显微镜技术进行酶定位的弗洛伦斯·丹妮拉博士说：“研究团队包括从显微镜学到生理学，植物育种和建模等领域拥有丰富专业知识的科学家。”
“十年前，我们启动了C4水稻项目，涉及11个国家的16个实验室。这项特殊的研究使我们花费了5年的时间来完成，并且来自世界各地多个组织（包括华盛顿州立大学，牛津大学）的若干研究人员共同努力，剑桥大学，澳大利亚国立大学和马克斯·普朗克研究所。” ARC转化光合作用卓越研究中心主任，该研究的作者之一罗伯特·福班克教授说。
“我们的下一步是使用16个基因组装一个构建载体，因此我们还有许多工作要做。这是实现C4水稻的第一步。这些结果表明我们可以操纵整个代谢途径。
这些结果表明功能性的C4水稻是可能的，” Furbank教授说。
More information:
Maria Ermakova et al, Installation of C4 photosynthetic pathway enzymes in rice using a single construct, Plant Biotechnology Journal (2020). DOI: 10.1111/pbi.13487
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