光合作用合成生物學研究現狀及未來發展策略

未來光合作用合成生物學重大研究方向

當前光合作用合成生物學研究正面臨一個寶貴的戰略機遇期。國際上盡管在光合作用合成生物學領域中得到較早發展，然而將光合作用合成生物學研究放到較長的歷史時期來看，其整個學科發展程度仍然基本處于起步階段。盡管目前我國在該領域的研究中確實存在較分散、與實際應用聯系較少等短板，但是我國開展光合作用合成生物學研究也具有得天獨厚的優勢。一方面，我國人口眾多、歷史上近期曾出現過重大饑荒的集體記憶，使得我國在光合作用合成生物學領域啟動大規模研究具有強大政治基礎和民眾支持；另一方面，我國目前在植物遺傳學、作物基因組學、合成生物學等領域中都具有國際一流的研究團隊，這為光合作用合成生物學研究提供了關鍵技術及平臺基礎。

同時，當前對光合效率的重新認識也為大規模開展光合作用合成生物學提供了強大理論依據。光合作用運行需要?CO₂、水分和光照，而且其效率深受溫度等環境因子的影響；歷史上植物適應特定環境條件，進化形成當前的光合作用系統。當前全球?CO₂濃度已經達到?405?μL/L，是接近于過去?40?萬年的全球平均?CO₂濃度的一倍。如果依據?RCP8.5，國際氣候變化委員會（IPCC）利用?EMIC?預測到?2050?年及?2100?年，全球?CO₂濃度將依次達到?550?和950?μL/L。長期適應環境形成的當前的植物光合作用系統（包括光反應、碳代謝等）必須進行調整、改造才得以適應全新的生長環境；進一步講，在自然選擇中，植物進化出的諸多性狀其最大目的是擴大自己向后代傳遞遺傳信息的能力，而不是高光效。最后，在進化及人工選擇過程中，植物僅能夠利用現有的遺傳資源及工具，沒有方法進化出最高、最優化的可將光能轉化為化學能的系統。所有這些都表明，在當前及未來，植物光合系統離實現最佳光能利用效率相差甚遠，利用合成生物學技術，人工干預、優化及改造光合系統，提高光能利用效率，從而為人類更好地提供糧食、能源供給。

當前，光合作用合成生物學研究逐漸形成以下?5?個研究方向（表?1）。

現有光合途徑自然變異的合成生物學改造及優化

光合作用合成生物學近期目標是利用自然界已有光合作用系統，挖掘當前系統得以改造及優化的位點，進而通過合成生物學手段，改造、優化現存光合系統，提高其光能利用效率。這個方面需要進行系統改良的靶標包括：Rubisco?動力學參數，ATP?合成酶結構及功能，天線系統大小及組成，碳代謝酶含量及調控，葉片結構，光合系統高光、低光、動態光強的利用能力，以及光合作用在高溫、低溫下的功能等。

光合系統與光合同化產物利用途徑協同

通過光合作用合成生物學研究，定向調控光合產物消耗相關代謝過程，將不僅有利于提高光能利用效率及作物產量，也為利用“植物工廠”生產高能、高附加值原料提供全新途徑。這里目前亟待布局的研究包括：改造植物源庫流系統，優化光合產物的運輸、存儲、分解及利用，優化根系對光合產物的存儲；優化源庫流互作，提高全生育期的光能利用效率；改造植物激素對光合作用的調控作用，釋放光合潛力，提高光能利用效率；改造光合作用系統與基本代謝途徑，在提高生長速度的同時，提高油脂合成速度。