光合作用合成生物学研究现状及未来发展策略

未来光合作用合成生物学重大研究方向

当前光合作用合成生物学研究正面临一个宝贵的战略机遇期。国际上尽管在光合作用合成生物学领域中得到较早发展，然而将光合作用合成生物学研究放到较长的历史时期来看，其整个学科发展程度仍然基本处于起步阶段。尽管目前我国在该领域的研究中确实存在较分散、与实际应用联系较少等短板，但是我国开展光合作用合成生物学研究也具有得天独厚的优势。一方面，我国人口众多、历史上近期曾出现过重大饥荒的集体记忆，使得我国在光合作用合成生物学领域启动大规模研究具有强大政治基础和民众支持；另一方面，我国目前在植物遗传学、作物基因组学、合成生物学等领域中都具有国际一流的研究团队，这为光合作用合成生物学研究提供了关键技术及平台基础。

同时，当前对光合效率的重新认识也为大规模开展光合作用合成生物学提供了强大理论依据。光合作用运行需要 CO₂、水分和光照，而且其效率深受温度等环境因子的影响；历史上植物适应特定环境条件，进化形成当前的光合作用系统。当前全球 CO₂浓度已经达到 405 μL/L，是接近于过去 40 万年的全球平均 CO₂浓度的一倍。如果依据 RCP8.5，国际气候变化委员会（IPCC）利用 EMIC 预测到 2050 年及 2100 年，全球 CO₂浓度将依次达到 550 和950 μL/L。长期适应环境形成的当前的植物光合作用系统（包括光反应、碳代谢等）必须进行调整、改造才得以适应全新的生长环境；进一步讲，在自然选择中，植物进化出的诸多性状其最大目的是扩大自己向后代传递遗传信息的能力，而不是高光效。最后，在进化及人工选择过程中，植物仅能够利用现有的遗传资源及工具，没有方法进化出最高、最优化的可将光能转化为化学能的系统。所有这些都表明，在当前及未来，植物光合系统离实现最佳光能利用效率相差甚远，利用合成生物学技术，人工干预、优化及改造光合系统，提高光能利用效率，从而为人类更好地提供粮食、能源供给。

当前，光合作用合成生物学研究逐渐形成以下 5 个研究方向（表 1）。

现有光合途径自然变异的合成生物学改造及优化

光合作用合成生物学近期目标是利用自然界已有光合作用系统，挖掘当前系统得以改造及优化的位点，进而通过合成生物学手段，改造、优化现存光合系统，提高其光能利用效率。这个方面需要进行系统改良的靶标包括：Rubisco 动力学参数，ATP 合成酶结构及功能，天线系统大小及组成，碳代谢酶含量及调控，叶片结构，光合系统高光、低光、动态光强的利用能力，以及光合作用在高温、低温下的功能等。

光合系统与光合同化产物利用途径协同

通过光合作用合成生物学研究，定向调控光合产物消耗相关代谢过程，将不仅有利于提高光能利用效率及作物产量，也为利用“植物工厂”生产高能、高附加值原料提供全新途径。这里目前亟待布局的研究包括：改造植物源库流系统，优化光合产物的运输、存储、分解及利用，优化根系对光合产物的存储；优化源库流互作，提高全生育期的光能利用效率；改造植物激素对光合作用的调控作用，释放光合潜力，提高光能利用效率；改造光合作用系统与基本代谢途径，在提高生长速度的同时，提高油脂合成速度。