光合作用合成生物学研究现状及未来发展策略

自然界已有高光效光合途径的跨物种重建

将具有高光效特征的光合作用系统在当前作物中进行有效重建，实现大幅度提高作物光能、水分及氮素利用效率。这些途径包括：在 C₃植物中实现 C₄光合作用改造、羧体重建、pyranoid 重建等；扩充光合作用可用光谱范围，如建立藻胆体、叶绿素 d 和叶绿素 f 等扩充光谱；将景天酸代谢途径（CAM）途径转入当前 C₃植物，提高 C₃植物抗旱性。

创建全新光合系统

基于光合系统运行的分子机理，开展全新的自然界尚不存在的光合系统的构建，拓展光合系统利用多种能源渠道，将为扩展粮食、能源生产渠道，提供巨大潜能。这方面可以进行的基础及应用研究包括：构建全新 CO₂固定通路，建立不用 Rubisco 的、更高效的 CO₂固定通路；创制自养型大肠杆菌，建立全新工业微生物底盘；建立全新光合代谢合成通路，实现直接利用以纤维素为基本组成部分的生物量为能源，生产淀粉、蔗糖等工业用糖的高效光合代谢通路；建立全新代谢通路，实现利用光以外能源（如还原能等）为能源，开展 CO₂固定的新型光合代谢通路。

创制光合系统-新材料复合体

基于光合系统的分子机理，创建新型光合系统-材料整合系统，高效生产 O₂、H₂、电能等高附加值产品。这方面可以进行的基础及应用研究包括：建立人工光合系统，利用人工系统生产 O₂、电能、氢能，构建利用人工光合系统生产光合产物的人造光合系统——叶片光合与智能材料有机结合，这包括在叶片表面建立蜡质层，提高叶片反射提高抗旱性；叶片内植入具有 CO₂吸收及释放能力的全新材料，在气孔下腔建立高 CO₂浓度区域。除此以外，针对现有人工光合体系的诸多局限性（例如光合过程中，无机材料产生的空穴对有机系统的破坏作用，以及无机和有机材料催化活性的不匹配性等），可以利用理性设计策略通过自组装的方法来精确组装光催化所需要的酶和无机纳米材料，提高电荷传输和催化效率，同时减少无机材料在光催化过程中对生物体系造成的光损伤，从而为推进人工光合作用体系的实际应用提供有力的保障。（作者：朱新广，中国科学院植物生理生态研究所 植物分子植物卓越中心和分子遗传国家重点实验室；熊燕，中国科学院上海生命科学研究院（上海营养与健康研究院）；阮梅花，中国科学院上海生命科学研究院（上海营养与健康研究院）；刘晓，中国科学院上海生命科学研究院（上海营养与健康研究院）；徐健，中国科学院青岛生物能源与过程研究所；钟超，上海科技大学。《中国科学院院刊》供稿）