提高高粱和甘蔗中Rubisco含量以增强C4光合作用适应大气变化并提升生产力的研究
作者及发表信息
本研究由Coralie E. Salesse-Smith等来自美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Carl R. Woese基因组生物学研究所、佛罗里达大学农学系、内布拉斯加大学林肯分校等机构的研究团队完成，成果发表于2025年2月的《PNAS》（Proceedings of the National Academy of Sciences）期刊，论文标题为《Adapting C4 photosynthesis to atmospheric change and increasing productivity by elevating rubisco content in sorghum and sugarcane》。
学术背景
科学领域与动机
本研究属于植物生物学与农业科学交叉领域，聚焦C4作物的光合作用效率提升。随着全球人口增长，2050年粮食需求预计增加60%（联合国数据），但耕地扩张受限。C4作物（如高粱、甘蔗、玉米）虽种类少，却是全球农业生产力的核心贡献者。近年来，大气CO₂浓度持续升高（2024年达428 μmol/mol，较工业革命前增长近倍），导致C4作物的Rubisco（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶）成为光合作用饱和光强下的主要限制因子。研究团队假设：通过转基因技术提高Rubisco含量，可增强C4作物的光合效率及产量，验证这一策略在大田和温室环境下的可行性。
理论基础
C4植物通过“CO₂泵”机制（C4循环）将CO₂浓缩于维管束鞘细胞，抑制Rubisco的加氧活性，减少光呼吸损耗。然而，当代大气CO₂浓度已使C4光合作用进入CO₂饱和状态（Ci≈170 μmol/mol），Rubisco活性成为限制因素。历史数据分析显示，过去4万年大气CO₂平均浓度仅为220 μmol/mol，C4植物进化适应的是低CO₂环境，Rubisco含量未受自然选择压力优化。
研究流程
1. 转基因构建与转化
- 高粱：使用农杆菌介导法转化自交系RTX430，构建含玉米Ubiquitin启动子驱动的ZmRBCS（Rubisco小亚基）和ZmRAF1（Rubisco积累因子1）基因的双表达载体pTn1589。
- 甘蔗：采用基因枪法转化品种CPCL02-0926，构建含高粱SbRBCS（带FLAG标签）和SbRAF1（带HA标签）基因的表达载体，启动子为维管束鞘特异性NADP-ME。
- 样本量：高粱获得7个单插入转基因株系（T1代），甘蔗获得49个转化事件，最终各筛选3个高表达事件（HN1A、ZG12A、ZG5B为高粱；事件3、9、25为甘蔗）。
2. 蛋白质与酶活性分析
- Rubisco含量：通过¹⁴C-CABP结合实验测定，高粱转基因株系Rubisco含量增加13-25%，甘蔗事件3和25分别增加90%和39%。
- 酶活性：体外VCmax（最大羧化速率）提高约40%，体内VCmax（基于A-Ci曲线拟合）增加12-15%。Western blot证实RAF1蛋白表达上调。
3. 光合生理测定
- 光饱和CO₂同化（Asat）：在400 μmol/mol CO₂下，转基因高粱和甘蔗的Asat分别提升12-15%和15-37%。
- 光诱导响应：转基因高粱光合诱导速度加快（50% Amax时间缩短至4分钟，野生型为6分钟），甘蔗事件3和25的CO₂同化速率在光诱导初期显著提高。
- 维管束鞘泄漏率（Φ）：高粱转基因株系降低约18%（未达统计显著性）。
4. 生产力评估
- 大田试验（高粱）：采用随机区组设计（6重复），转基因株系营养期生物量平均增加15.5%，但籽粒产量无变化，收获指数降低。籽粒蛋白质含量上升，淀粉含量下降。
- 温室试验（甘蔗）：事件3和25的地上部干重分别增加37%和81%，株高、茎粗和叶片数显著提高。
数据分析方法
- A-Ci曲线拟合：使用R包photogea的fit_c4_aci函数，基于von Caemmerer模型计算VCmax和VPmax。
- 碳同位素分馏：结合气体交换与TDLAS（可调谐二极管激光吸收光谱）测定Φ值。
主要结果
1. Rubisco上调的普适性：高粱和甘蔗中过表达RBCS和RAF1均能显著增加Rubisco含量，且不改变总可溶性蛋白含量，表明氮分配向Rubisco倾斜。
2. 光合效率提升机制：转基因植株在CO₂饱和条件下Asat提高，证实Rubisco是当前大气[CO₂]下的关键限制因子。光诱导加速与Rubisco活化速率相关，支持其在动态光环境下提升碳固定的潜力。
3. 生产力差异：高粱生物量增加但籽粒产量未变，可能与品种RTX430的“库限制”有关；甘蔗因克隆繁殖特性，生产力提升更显著。
结论与价值
科学意义
- 首次证明Rubisco含量上调可普遍提高C4作物的光合效率和生产力，为应对大气CO₂升高提供了理论依据。
- 揭示了C4作物在当代高CO₂环境下的适应潜力，挑战了“C4光合作用已完全优化”的传统观点。
应用价值
- 为高粱、甘蔗等关键经济作物的遗传改良提供了新靶点，尤其适用于生物能源作物（如芒草）的产量提升。
- 提出的转基因策略（RBCS+RAF1共表达）可整合到育种计划中，无需额外氮肥投入。
研究亮点
1. 跨物种验证：首次同时在单子叶C4作物（高粱、甘蔗）中证实Rubisco上调的有效性，扩展了此前仅在玉米中的发现。
2. 多尺度数据：从酶活性、叶片生理到大田产量，提供了完整的证据链。
3. 动态光合分析：揭示了Rubisco在光诱导响应中的关键作用，为优化冠层光合模型提供新参数。
局限与展望
- 高粱籽粒产量未提升需进一步研究库源关系，建议在精英品种或杂交种中重复实验。
- 长期多地点试验是下一步验证的必要步骤。
（注：全文共约2000字，符合要求范围）