自然界已有高光效光合途徑的跨物種重建

將具有高光效特征的光合作用系統在當前作物中進行有效重建，實現大幅度提高作物光能、水分及氮素利用效率。這些途徑包括：在?C₃植物中實現?C₄光合作用改造、羧體重建、pyranoid?重建等；擴充光合作用可用光譜范圍，如建立藻膽體、葉綠素?d?和葉綠素?f?等擴充光譜；將景天酸代謝途徑（CAM）途徑轉入當前?C₃植物，提高?C₃植物抗旱性。

創建全新光合系統

基于光合系統運行的分子機理，開展全新的自然界尚不存在的光合系統的構建，拓展光合系統利用多種能源渠道，將為擴展糧食、能源生產渠道，提供巨大潛能。這方面可以進行的基礎及應用研究包括：構建全新?CO₂固定通路，建立不用?Rubisco?的、更高效的?CO₂固定通路；創制自養型大腸桿菌，建立全新工業微生物底盤；建立全新光合代謝合成通路，實現直接利用以纖維素為基本組成部分的生物量為能源，生產淀粉、蔗糖等工業用糖的高效光合代謝通路；建立全新代謝通路，實現利用光以外能源（如還原能等）為能源，開展?CO₂固定的新型光合代謝通路。

創制光合系統-新材料復合體

基于光合系統的分子機理，創建新型光合系統-材料整合系統，高效生產?O₂、H₂、電能等高附加值產品。這方面可以進行的基礎及應用研究包括：建立人工光合系統，利用人工系統生產?O₂、電能、氫能，構建利用人工光合系統生產光合產物的人造光合系統——葉片光合與智能材料有機結合，這包括在葉片表面建立蠟質層，提高葉片反射提高抗旱性；葉片內植入具有?CO₂吸收及釋放能力的全新材料，在氣孔下腔建立高?CO₂濃度區域。除此以外，針對現有人工光合體系的諸多局限性（例如光合過程中，無機材料產生的空穴對有機系統的破壞作用，以及無機和有機材料催化活性的不匹配性等），可以利用理性設計策略通過自組裝的方法來精確組裝光催化所需要的酶和無機納米材料，提高電荷傳輸和催化效率，同時減少無機材料在光催化過程中對生物體系造成的光損傷，從而為推進人工光合作用體系的實際應用提供有力的保障。（作者：朱新廣，中國科學院植物生理生態研究所 植物分子植物卓越中心和分子遺傳國家重點實驗室；熊燕，中國科學院上海生命科學研究院（上海營養與健康研究院）；阮梅花，中國科學院上海生命科學研究院（上海營養與健康研究院）；劉曉，中國科學院上海生命科學研究院（上海營養與健康研究院）；徐健，中國科學院青島生物能源與過程研究所；鐘超，上海科技大學。《中國科學院院刊》供稿）