LI-6800應(yīng)用案例 : 突破光合作用瓶頸，McG循環(huán)讓植物更高產(chǎn)更高效

原文以Dual-cycle CO₂ fixation enhances growth and lipid synthesis in Arabidopsis Thaliana為標(biāo)題發(fā)表在Science（IF=45.8）上
作者 | KJ Lu, CW Hsu, WN Jane, MH Peng, YW Chou, PH Huang, KC Yeh, SH Wu, JC Liao

 在植物光合作用中，碳損失一直是限制生長(zhǎng)與產(chǎn)量的關(guān)鍵瓶頸。近期科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)出一種創(chuàng)新的“malyl-CoA-glycerate（McG）循環(huán)”，能夠顯著提升植物的碳利用效率、脂質(zhì)產(chǎn)量和整體生長(zhǎng)。

McG循環(huán)：讓每個(gè)碳都物盡其用
在傳統(tǒng)卡爾文循環(huán)中，固定碳原子生成乙酰輔酶A（acetyl-CoA）用于脂質(zhì)和植物激素合成時(shí)，會(huì)損失一個(gè)碳，同時(shí)光呼吸還會(huì)將乙醇酸氧化為CO₂，造成額外碳浪費(fèi)。

McG循環(huán)的出現(xiàn)解決了這一難題。它可以將乙醇酸或3-磷酸甘油酸（3PG）直接轉(zhuǎn)化為乙酰-CoA，提高碳利用效率，同時(shí)避免光呼吸造成的損失。當(dāng)以3PG為底物時(shí)，還能額外固定一個(gè)碳生成兩個(gè)乙酰-CoA。關(guān)鍵酶PPC使用碳酸氫鹽作為底物，不與RuBisCO競(jìng)爭(zhēng)葉綠體中的CO₂，從而進(jìn)一步提升乙酰-CoA生成效率。

McG植物表現(xiàn)出顯著生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)
在擬南芥中，McG轉(zhuǎn)基因植物與野生型相比顯示出多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：

• 生物量增加2–3倍，葉片數(shù)量和面積顯著提升
• 
  角果與種子產(chǎn)量提升，葉片和種子脂質(zhì)含量增加
• 
  凈碳同化率幾乎翻倍
• 
  光系統(tǒng)II效率提升，光系統(tǒng)I/II、細(xì)胞色素b6/f、電子傳遞鏈及F型ATP合酶蛋白含量明顯增加
• 細(xì)胞分裂素水平升高，頂端分生組織（SAM）增大，葉原基數(shù)量增加，整體生長(zhǎng)得到促進(jìn)

這些變化顯示，McG循環(huán)不僅優(yōu)化了碳利用，還通過(guò)增加乙酰-CoA和細(xì)胞分裂素形成正向反饋循環(huán)，進(jìn)一步增強(qiáng)光合作用能力和植物生長(zhǎng)。

C2為核心的雙循環(huán)碳固定系統(tǒng)（McG循環(huán)）研究者在擬南芥葉綠體中引入了 McG循環(huán)（藍(lán)色），與植物原有的 CBB循環(huán)（黑色） 協(xié)同工作。

• 目的：更高效地合成 乙酰輔酶A（acetyl-CoA），同時(shí)繞過(guò)光呼吸造成的碳損失。

• 結(jié)果：McG轉(zhuǎn)基因植株生長(zhǎng)更大，種子和脂質(zhì)產(chǎn)量顯著提高，形成正向反饋循環(huán)，進(jìn)一步增強(qiáng)生長(zhǎng)潛力。

  注：圖由 BioRender.com 制作。

實(shí)驗(yàn)如何驗(yàn)證？LI-6800全程守護(hù)
為了準(zhǔn)確測(cè)量McG植物的光合表現(xiàn)，科學(xué)家們使用了LI-6800便攜式光合熒光測(cè)量系統(tǒng)，它能夠同時(shí)測(cè)定凈碳同化速率（A）、蒸騰速率（E）、實(shí)際光化學(xué)量子效率（ϕPSII）、葉片溫度及空氣溫濕度等多項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度、實(shí)時(shí)且可重復(fù)的測(cè)量。

LI-6800便攜式光合熒光測(cè)量系統(tǒng)

樣品與測(cè)定流程

1. 樣品準(zhǔn)備：選擇4–5周齡植物特定葉片進(jìn)行測(cè)量

2. 單葉凈碳同化（A）測(cè)定：
   葉片固定在2cm²葉室中，光強(qiáng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求調(diào)節(jié)，
   CO₂濃度由1500降至50μmol mol⁻¹，測(cè)定A/Ci曲線和光響應(yīng)曲線
3. 水分利用效率（WUE）計(jì)算：A / E
4. 整株蓮座葉測(cè)定：結(jié)合ImageJ軟件測(cè)定葉面積，繪制CO₂響應(yīng)和光響應(yīng)曲線
5. PSII量子效率（ϕPSII）測(cè)定：光強(qiáng)1500–25μmol m⁻² s⁻¹，CO₂條件400或1500 ppm
6. Ci*及白天呼吸測(cè)定：采用斜率截距法，光強(qiáng)50–200μmol m⁻² s⁻¹

總結(jié)
McG循環(huán)實(shí)現(xiàn)了高效、低能耗的乙酰-CoA生成，無(wú)碳損失，為植物提供更多代謝物原料，同時(shí)提升光合作用效率和生長(zhǎng)表現(xiàn)。這一創(chuàng)新的“C2為核心”碳利用策略，為未來(lái)高產(chǎn)、可持續(xù)農(nóng)業(yè)提供了全新思路。