未來光合作用合成生物學(xué)重大研究方向

當(dāng)前光合作用合成生物學(xué)研究正面臨一個寶貴的戰(zhàn)略機遇期。國際上盡管在光合作用合成生物學(xué)領(lǐng)域中得到較早發(fā)展，然而將光合作用合成生物學(xué)研究放到較長的歷史時期來看，其整個學(xué)科發(fā)展程度仍然基本處于起步階段。盡管目前我國在該領(lǐng)域的研究中確實存在較分散、與實際應(yīng)用聯(lián)系較少等短板，但是我國開展光合作用合成生物學(xué)研究也具有得天獨厚的優(yōu)勢。一方面，我國人口眾多、歷史上近期曾出現(xiàn)過重大饑荒的集體記憶，使得我國在光合作用合成生物學(xué)領(lǐng)域啟動大規(guī)模研究具有強大政治基礎(chǔ)和民眾支持；另一方面，我國目前在植物遺傳學(xué)、作物基因組學(xué)、合成生物學(xué)等領(lǐng)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(xué)研究提供了關(guān)鍵技術(shù)及平臺基礎(chǔ)。

同時，當(dāng)前對光合效率的重新認識也為大規(guī)模開展光合作用合成生物學(xué)提供了強大理論依據(jù)。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(huán)境因子的影響；歷史上植物適應(yīng)特定環(huán)境條件，進化形成當(dāng)前的光合作用系統(tǒng)。當(dāng)前全球?CO₂濃度已經(jīng)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(jù)?RCP8.5，國際氣候變化委員會（IPCC）利用?EMIC?預(yù)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(yīng)環(huán)境形成的當(dāng)前的植物光合作用系統(tǒng)（包括光反應(yīng)、碳代謝等）必須進行調(diào)整、改造才得以適應(yīng)全新的生長環(huán)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(xiàn)有的遺傳資源及工具，沒有方法進化出最高、最優(yōu)化的可將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的系統(tǒng)。所有這些都表明，在當(dāng)前及未來，植物光合系統(tǒng)離實現(xiàn)最佳光能利用效率相差甚遠，利用合成生物學(xué)技術(shù)，人工干預(yù)、優(yōu)化及改造光合系統(tǒng)，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(dāng)前，光合作用合成生物學(xué)研究逐漸形成以下?5?個研究方向（表?1）。

現(xiàn)有光合途徑自然變異的合成生物學(xué)改造及優(yōu)化

光合作用合成生物學(xué)近期目標(biāo)是利用自然界已有光合作用系統(tǒng)，挖掘當(dāng)前系統(tǒng)得以改造及優(yōu)化的位點，進而通過合成生物學(xué)手段，改造、優(yōu)化現(xiàn)存光合系統(tǒng)，提高其光能利用效率。這個方面需要進行系統(tǒng)改良的靶標(biāo)包括：Rubisco?動力學(xué)參數(shù)，ATP?合成酶結(jié)構(gòu)及功能，天線系統(tǒng)大小及組成，碳代謝酶含量及調(diào)控，葉片結(jié)構(gòu)，光合系統(tǒng)高光、低光、動態(tài)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(tǒng)與光合同化產(chǎn)物利用途徑協(xié)同

通過光合作用合成生物學(xué)研究，定向調(diào)控光合產(chǎn)物消耗相關(guān)代謝過程，將不僅有利于提高光能利用效率及作物產(chǎn)量，也為利用“植物工廠”生產(chǎn)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(tǒng)，優(yōu)化光合產(chǎn)物的運輸、存儲、分解及利用，優(yōu)化根系對光合產(chǎn)物的存儲；優(yōu)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(diào)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(tǒng)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。