光呼吸研究進(jìn)展

鐘孝芬,李波娣,李敏姬,張智勝,彭新湘

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510642)

1 光呼吸代謝途徑概述

光合作用是綠色植物利用光能，把CO2和H2O轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)存能量的有機(jī)物，同時(shí)釋放O2的過(guò)程。光合作用能為整個(gè)生命系統(tǒng)提供物質(zhì)和能量。光呼吸伴隨著光合作用而進(jìn)行，綠色植物、藻類和藍(lán)細(xì)菌利用光能并在O2的參與下將有機(jī)物分解為CO2和H2O，該過(guò)程即為光呼吸[1–3]。每年大約有29 Gt 的光合產(chǎn)物以CO2形式被重新釋放到大氣中[4–5]。光呼吸的產(chǎn)生是因?yàn)?,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶Rubisco 具有雙功能酶活性，1,5-二磷酸核酮糖在Rubisco 的催化下既可進(jìn)行羧化反應(yīng)又可進(jìn)行加氧反應(yīng)，而加氧或者羧化反應(yīng)的程度取決于CO2和O2濃度的比值，高比值有利于羧化反應(yīng)，低比值有利于加氧反應(yīng)[6]。RuBP 的羧化結(jié)果是產(chǎn)生2 分子3-磷酸甘油酸，然后進(jìn)入卡爾文循環(huán)，而RuBP 氧化結(jié)果則是產(chǎn)生1 分子3-磷酸甘油酸(3-PGA)和1 分子2-磷酸乙醇酸(2-PG)。2-PG 經(jīng)過(guò)光呼吸代謝途徑再部分生成3-PGA 回流進(jìn)入卡爾文循環(huán)[7]，光呼吸代謝途徑能夠回收75%的2-PG 中的碳，其余25%的碳以CO2的形式在線粒體中釋放[8–9]。葉綠體、過(guò)氧化物體、線粒體及細(xì)胞質(zhì)中均有光呼吸代謝過(guò)程，此過(guò)程還涉及多種酶的共同參與[10]。光呼吸的代謝過(guò)程見圖1。

圖1 高等植物光呼吸途徑及其與卡爾文循環(huán)和氨同化的相互聯(lián)系[11]。2-OG: 2-酮戊二酸; 3-PGA: 3-磷酸甘油酸; 2-PG: 2-磷酸乙醇酸; Ala: 丙氨酸;Asn: 天冬酰胺; ASNS: 天冬酰胺合成酶; Asp: 天冬氨酸; CAT: 過(guò)氧化氫酶; Gln: 谷氨酰胺; FD-GOGAT: 鐵氧還蛋白依賴性谷氨酸合酶; Glu: 谷氨酸;GDC: 甘氨酸脫羧酶復(fù)合物; GLO: 乙醇酸氧化酶; GLYK: 甘油酸3-激酶; GGAT: 谷氨酸:乙醛酸轉(zhuǎn)氨酶; GS2: 谷氨酰胺合成酶; SGAT: 絲氨酸:乙醛酸轉(zhuǎn)氨酶; SHMT: 絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶; Rubisco: 核酮糖1,5-二磷酸羧化/加氧酶; HPR1: 羥基丙酮酸還原酶1。Fig.1 Photorespiration pathway in higher plants and their relationship with Calvin cycle and ammonia assimilation[11].2-OG: 2-Oxoglutaric acid; 3-PGA:3-Phosphoglycerate; 2-PG: Phosphoglycolic acid; Ala: Alanine; Asn: Asparagine; ASNS: Asparagine synthetase; Asp: Aspartic acid; CAT: Catalase; Gln:Glutamine; FD-GOGAT: Ferridoxin-dependent glutamate synthase; Glu: Glutamate; GDC: Glycine decarboxylase complex; GLO: Glycolate oxidase; GLYK:Glycerate 3-kinase; GGAT: Glutamate:glyoxylate aminotransferase; GS2: Plastid glutamine synthetase 2; SGAT: Serine:glyoxylate aminotransferase; SHMT:Serine hydroxymethyltransferase; Rubisco: Ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase; HPR1: Hydroxypyruvate reductase 1.

Rubisco 在葉綠體中催化RuBP 產(chǎn)生2-PG，乙醇酸磷酸酶(PGLP)催化2-PG 去磷酸化生成乙醇酸，乙醇酸通過(guò)乙醇酸/甘油酸逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白從葉綠體運(yùn)輸至細(xì)胞質(zhì)中，然后進(jìn)入過(guò)氧化物酶體中[12]。在乙醇酸氧化酶(GLO)的催化下，乙醇酸氧化生成乙醛酸并產(chǎn)生H2O2，H2O2被過(guò)氧化氫酶(CAT)分解。乙醛酸在谷氨酸:乙醛酸轉(zhuǎn)氨酶(GGAT)和絲氨酸:乙醛酸轉(zhuǎn)氨酶(SGAT)的作用下轉(zhuǎn)化為甘氨酸。甘氨酸從過(guò)氧化物酶體轉(zhuǎn)移到線粒體后，由甘氨酸脫羧酶(GDC)和絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶(SHMT)將2個(gè)甘氨酸分子催化為1 個(gè)絲氨酸并釋放1 分子CO2和NH3。氧化脫羧步驟GDC 復(fù)合體將NAD+還原成NADH。在SGAT 的作用下，絲氨酸從線粒體返回到過(guò)氧化物酶體產(chǎn)生羥基丙酮酸(HP)。在羥基丙酮酸還原酶(HPR1)的催化下，HP 還原為甘油酸。最后甘油酸返回葉綠體，在甘油酸激酶(GLYK)的作用下，甘油酸磷酸化生成3-磷酸甘油酸(3-PGA)，重新返回到卡爾文循環(huán)中[13]。

2 光呼吸的生理功能

光呼吸的主要生理功能是清除Rubisco 加氧反應(yīng)生成的毒性中間代謝物2-PG 并回收部分碳素,但該過(guò)程釋放的CO2降低了植物的凈光合效率[14–16]。然而值得關(guān)注的是，在逆境條件下光呼吸對(duì)C3植物的光合作用及產(chǎn)量維持可能具有保護(hù)作用[17–18]。此外已知光呼吸還與植物其它多種生物學(xué)過(guò)程密切相關(guān),C3植物光呼吸減弱后會(huì)導(dǎo)致氮素吸收與同化受到抑制[19–20]。Gao 等[21]報(bào)道擬南芥(Arabidopsis thaliana)cat2突變體中光呼吸生成的H2O2可誘導(dǎo)葉片生長(zhǎng)素濃度降低并出現(xiàn)葉片邊緣卷曲表型，而Kerchev 等[22]報(bào)道外源施加生長(zhǎng)素類似物可消除cat2突變體因光呼吸H2O2積累而誘發(fā)的細(xì)胞程序性死亡表型。在擬南芥、煙草(Nicotiana tabacum)和水稻(Oryza sativa)等植物中光呼吸還參與了其非寄主抗性防衛(wèi)信號(hào)以及病原菌誘發(fā)的水楊酸信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程[23–25]。光呼吸不僅在C3植物中具有重要功能,而且在光呼吸速率相對(duì)低的C4植物或藍(lán)藻中也起著不可或缺的作用，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)這些低光呼吸生物的突變體同樣表現(xiàn)出典型的光呼吸表型[26–27]?？傊?，關(guān)于光呼吸的功能至今雖然仍存在頗多爭(zhēng)議,但似乎已一致認(rèn)可光呼吸與植物碳代謝、氮同化、能量代謝以及H2O2信號(hào)發(fā)生等多個(gè)代謝過(guò)程密切相關(guān)[28–29]，并且還可能在植物抗逆性和抗病性中發(fā)揮重要作用[30–32]。

3 優(yōu)化光呼吸的3 種策略

光呼吸是一個(gè)耗能的代謝過(guò)程，在正常生長(zhǎng)條件下，C3植物中可消耗掉凈光合產(chǎn)物的25%～30%[7,33],當(dāng)遭遇干旱、高溫、高光等逆境脅迫時(shí)，其損耗可高達(dá)50%[34]。鑒于光呼吸是制約光合作用效率的一個(gè)關(guān)鍵因子，為提高作物的生產(chǎn)力，目前主要采取了3 種改造策略以試圖降低光呼吸速率而提高光合效率：第1 種是通過(guò)酶工程來(lái)提高Rubisco 的羧化效率，即直接提高Rubisco 催化的羧化反應(yīng)速率或減少其加氧反應(yīng)速率[35]；第2 種是通過(guò)基因工程與合成生物學(xué)技術(shù)將某些植物所具備的CO2濃縮機(jī)制(CCM)導(dǎo)入到C3植物中，增加Rubisco 周圍的CO2濃度而抑制光呼吸；第3 種是在C3植物中創(chuàng)建光呼吸代謝支路，以降低光呼吸代謝的能量損耗并限制光呼吸。

3.1 分子改造Rubisco

由于光呼吸發(fā)生的根本原因是CO2和O2競(jìng)爭(zhēng)性地與Rubisco 活性中心結(jié)合，同時(shí)Rubisco 催化RuBP 發(fā)生羧化/加氧反應(yīng)，影響著植物光合作用和光呼吸速率[36]。因此Rubisco 一直被視為固碳系統(tǒng)改造的首要選擇目標(biāo)，目的是提高其底物選擇性和動(dòng)力學(xué)性能。

Rubisco 復(fù)合體的組裝過(guò)程復(fù)雜，對(duì)其改造極具挑戰(zhàn)性，嘗試用藍(lán)藻和紅藻的酶替代植物Rubisco但并沒有成功[37]。將編碼紅藻Rubisco 小亞基的基因通過(guò)質(zhì)體轉(zhuǎn)化在煙草葉綠體高效表達(dá)后，煙草本身的大亞基卻不能與紅藻Rubisco 小亞基組裝成全酶[4]。

最近有報(bào)道稱將藍(lán)藻的CO2濃縮機(jī)制和Rubisco引入高等植物的葉綠體中可以提高植物CO2的固定速率，同時(shí)降低光呼吸速率[38]。雖然來(lái)源于紅藻的Rubisco基因轉(zhuǎn)化至煙草葉綠體并進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄表達(dá)，但轉(zhuǎn)基因植株缺乏功能性的Rubisco，認(rèn)為共表達(dá)相容性分子伴侶對(duì)于紅藻Rubisco 在植物中的成功組裝是必要的[39]。在水稻Rubisco 中將RbcS 完全替換為高粱RbcS，獲得的雜交Rubisco 表現(xiàn)出幾乎與C4植物類似的催化特性，但與野生型水稻相比，轉(zhuǎn)基因株系中積累的Rubisco 水平降低[40]。來(lái)自類球紅細(xì)菌(Rhodobacter sphaeroides)的red-type Rubisco(RsRubisco)可在煙草葉綠體中完成組裝,但其活性只有野生型煙草Rubisco 活性的40%,并且轉(zhuǎn)基因煙草生長(zhǎng)緩慢。轉(zhuǎn)入RsRubisco 活化酶RsRca 后,RsRubisco 活性顯著提高，轉(zhuǎn)基因煙草的光合效率和生長(zhǎng)速率明顯高于野生型[41]。因此,通過(guò)改善Rubisco 的動(dòng)力學(xué)特性來(lái)提高植物的光合效率是一個(gè)長(zhǎng)期的目標(biāo)[42–43]。

3.2 提高Rubisco 周圍CO2 濃度

另一種策略旨在優(yōu)化并利用幾種自然存在的CO2濃縮機(jī)制(CCM)。C4植物、藻類和藍(lán)細(xì)菌依賴于自身的CCM 可以增加Rubisco 附近的CO2濃度，從而增加羧化作用進(jìn)而抑制加氧作用，該機(jī)制可在低CO2條件下提高光合作用的運(yùn)行效率。藍(lán)細(xì)菌及藻類中已進(jìn)化出的CCM 組分包括Rubisco、無(wú)機(jī)碳轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白周圍的羧酶體或蛋白核結(jié)構(gòu)和碳酸酐酶[44–46]。在藍(lán)細(xì)菌和一些變形菌中，Rubisco 聚集在一組稱為羧酶體的微室中[46]，這些微室是CCM 的一部分，與CO2和HCO3–轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白一起參與反應(yīng),從而提高細(xì)胞質(zhì)中HCO3–含量。其外層由蛋白質(zhì)殼包圍，內(nèi)含碳酸酐酶、Rubisco 蛋白等[46–48]。

目前已經(jīng)成功將藻類的CCM 部分結(jié)構(gòu)導(dǎo)入植物體，這為在植物體內(nèi)構(gòu)建功能性CCM 奠定了基礎(chǔ)[38,49]。將萊茵衣藻CO2濃縮機(jī)制(CCM)的成分整合到煙草葉綠體中，轉(zhuǎn)基因株系表現(xiàn)出光合速率可提高約15%，生物量明顯增加，并積累了更多的碳水化合物[50]。研究還表明，將藍(lán)細(xì)菌β-羧酶體組分CcmM35 與Rubisco 大、小亞基整合至煙草中，可形成早期羧酶體結(jié)構(gòu)，并在葉綠體基質(zhì)中形成大分子復(fù)合物。當(dāng)在煙草中瞬時(shí)表達(dá)多種β-羧酶體蛋白(CcmK2、CcmM、CcmL、CcmO 和CcmN 等)，可形成高度有序的空室類似結(jié)構(gòu)[37]，其中，CcmM 的SSUL 模塊可參與Rubisco 蛋白聚集過(guò)程[51]。在高等植物葉綠體中組裝藍(lán)細(xì)菌α-羧酶體結(jié)構(gòu)，可提升細(xì)胞內(nèi)碳酸氫鹽含量，從而將CO2大量聚集在Rubisco周圍[52]，促進(jìn)羧化反應(yīng)的進(jìn)行。但目前研究工作也僅限于在煙草葉綠體中合成簡(jiǎn)化版的羧酶體結(jié)構(gòu),在植物葉綠體中完全組裝羧酶體和蛋白核結(jié)構(gòu)仍存在一些限制因素。同時(shí)只有將Rubisco 正確組裝到CCM 微室，才能確保CCM 結(jié)構(gòu)完整性。只有在進(jìn)一步了解CCM 結(jié)構(gòu)、組裝機(jī)理和功能的基礎(chǔ)上完善所導(dǎo)入CCM 結(jié)構(gòu)的完整性，才可能最終產(chǎn)生改善光合作用的實(shí)效[53]。

在C3作物中引入C4植物CCM 系統(tǒng)也可增加Rubisco 附近CO2濃度，將玉米磷酸烯醇/丙酮酸羧化酶(PEPC)和丙酮酸磷酸雙激酶(PPDK)轉(zhuǎn)入水稻中，雖然這2 種酶能夠高表達(dá)，但是轉(zhuǎn)基因水稻的光合特性沒有改變，在C3植物中引入C4植物光合作用酶還需進(jìn)一步探索[54]。將C4植物光合系統(tǒng)相關(guān)酶引入C3植物時(shí)，需要考慮其光合過(guò)程中生化反應(yīng)的變化，由于C4植物Kranz 結(jié)構(gòu)特殊性及其光合作用相關(guān)的關(guān)鍵酶的分布和作用具有顯著的時(shí)空特異性，所以僅將C4植物光合基因引入C3植物形成單一細(xì)胞型C4植物無(wú)法真正達(dá)到C4植物的高光效功能[5,55–56]。C4植物中Rubisco 附近的CO2濃度由葉肉細(xì)胞和束鞘細(xì)胞之間的代謝活動(dòng)來(lái)提供的,在葉肉細(xì)胞中，CO2首先被磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶轉(zhuǎn)化為四碳酸，隨后被主動(dòng)運(yùn)輸?shù)骄S管束鞘細(xì)胞中[57]進(jìn)行脫羧，增加Rubisco 附近的CO2濃度。這種C4植物“CO2泵”每固定1 mol CO2需要消耗2個(gè)ATP。在水稻中過(guò)表達(dá)玉米(Zea mays)GOLDEN2-LIKE基因，水稻維管束鞘細(xì)胞中光合作用酶得到積累并起作用，表明C4水稻工程的關(guān)鍵一步已完成[58]。將玉米C4途徑關(guān)鍵酶ZmPEPC、ZmPPDK、ZmNADPMDH和ZmNADP-ME的原始基因分別轉(zhuǎn)入水稻中,轉(zhuǎn)基因植株的相應(yīng)酶活性增強(qiáng)，但光合速率幾乎沒有變化。雖然能完成C4光合途徑的羧化反應(yīng)，但不能完成后續(xù)的PEP 再生構(gòu)建完整的C4循環(huán)[59]，水稻等作物的人工C3到C4的轉(zhuǎn)化將會(huì)是一項(xiàng)長(zhǎng)期的任務(wù)[57]。

3.3 創(chuàng)建光呼吸支路

通過(guò)降低光呼吸的能量需求和將光呼吸釋放的CO2重新定位到葉綠體中，可以增強(qiáng)作物光合作用提高產(chǎn)量。構(gòu)建新型光呼吸支路被認(rèn)為是提高植物Rubisco 固碳能力的有效途徑之一。由于光呼吸中間代謝產(chǎn)物2-磷酸乙醇酸與乙醇酸等對(duì)細(xì)胞具有毒性，因此大部分光呼吸支路的構(gòu)建都以乙醇酸為底物。作為降低Rubisco 氧化作用和自身光呼吸途徑效率的替代方法，在C3植物中創(chuàng)建光合CO2濃縮機(jī)制一直是光呼吸研究領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。

根據(jù)時(shí)間線對(duì)已創(chuàng)建的光呼吸支路予以梳理,2007年，Kebeish 等[60]在擬南芥葉綠體中過(guò)表達(dá)大腸桿菌乙醇酸脫氫酶(GDH)、乙醛酸聚醛酶(GCL)和羥基丙二酸半醛還原酶(TSR)，簡(jiǎn)稱GGT 支路,此支路在葉綠體中將2 個(gè)乙醇酸轉(zhuǎn)化為甘油酸和CO2,這樣降低了光呼吸代謝ATP 需求量，同時(shí)避免了NH3的產(chǎn)生，GGT轉(zhuǎn)基因植株在特定培養(yǎng)條件下[光照8 h，光強(qiáng)為100μmol/(m2·s)]光合速率提高，同時(shí)光呼吸降低，生物量顯著提高。2012年，Maier等[61]在擬南芥的葉綠體中表達(dá)乙醇酸氧化酶、蘋果酸合酶和過(guò)氧化氫酶(簡(jiǎn)稱GMC 支路)，此支路能完成乙醇酸代謝循環(huán)，不僅在葉綠體中釋放CO2,同時(shí)部分避免了NH3的釋放。特定培養(yǎng)條件下,過(guò)氧化氫酶活性顯著提高的過(guò)表達(dá)株系表現(xiàn)出光合速率和生物量的增加。然而，GMC 途徑會(huì)比植物自身的光呼吸途徑更加耗能[62]。2014年Nolke 等[63]在馬鈴薯(Solanum tuberosum)葉綠體中僅導(dǎo)入大腸桿菌乙醇酸脫氫酶，轉(zhuǎn)基因植株的光合效率、生物量和產(chǎn)量也大幅提升。2015年Dalal[64]在亞麻薺(Camelina sativa)中重復(fù)了GGT 途徑，將3 個(gè)酶基因?qū)雭喡樗j并定位到葉綠體中，與野生型相比,轉(zhuǎn)基因植株生長(zhǎng)更迅速，提前約1 周開花，光合速率和生物量得到提高，油籽產(chǎn)量提高了57%～73%，并降低了光呼吸速率。2016年在馬鈴薯葉綠體中重復(fù)了Kebeish 等[60]的GGT 支路，支路1 導(dǎo)入乙醇酸脫氫酶，命名為synGDH；支路2 導(dǎo)入乙醛酸聚醛酶和羥基丙二酸半醛還原酶，命名為synGT。synGDH轉(zhuǎn)基因植株的生物量比野生型和synGT轉(zhuǎn)基因植株增加了11%，雖然synGT轉(zhuǎn)基因植株積累的生物量低于synGDH轉(zhuǎn)基因植株，但還是明顯高于野生型。同時(shí)synGDH轉(zhuǎn)基因植株的產(chǎn)量分別比野生型和synGT轉(zhuǎn)基因植株增加38%和16%，這說(shuō)明在植物葉綠體中表達(dá)乙醇酸代謝途徑是有效的[3]。2019年South 等[65]設(shè)計(jì)了3 條光呼吸支路，支路1是重復(fù)Kebeish 等[60]的GGT 支路；支路2 是重復(fù)Maier 等[61]的GMC 支路；支路3 是將蘋果酸合酶(MS)和乙醇酸脫氫酶(CrGDH)基因?qū)肴~綠體中,利用RNAi 技術(shù)下調(diào)光呼吸途徑中乙醇酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(PLGG1)的表達(dá)，進(jìn)而限制乙醇酸的轉(zhuǎn)運(yùn)量。溫室種植條件下，3 條支路的植株生物量與野生型相比，支路1 提高13%，支路2 的無(wú)明顯提高，支路3 增加18%，而同時(shí)下調(diào)PLGG1 的支路3 轉(zhuǎn)基因植株的生物量顯著增加24%。光合速率與生物量的提高表現(xiàn)一致，田間試驗(yàn)表明，支路3 轉(zhuǎn)基因植株的生物量增加25%，同時(shí)下調(diào)PLGG1 的支路3 轉(zhuǎn)基因植株生物量增加了40%。

2019年Shen 等[66]將水稻乙醇酸氧化酶(GLO)、草酸氧化酶(OXO)和過(guò)氧化氫酶(CAT)基因?qū)胨救~綠體中，使乙醇酸在葉綠體中完成代謝并釋放CO2，簡(jiǎn)稱GOC 支路(圖2: A)，GOC轉(zhuǎn)基因植株比野生型的凈光合速率與生物量顯著提高。春季大田種植，產(chǎn)量顯著提高，但秋季大田種植產(chǎn)量有所下降。GOC 支路在分流光呼吸同時(shí)可減少碳、氮損耗，是第一次在主要糧食作物水稻中成功創(chuàng)建光呼吸代謝支路，具有重要意義。2020年Wang 等[67]將水稻乙醇酸氧化酶(OsGLO1)、大腸桿菌過(guò)氧化氫酶(EcCAT)、大腸桿菌乙醛酸聚醛酶(EcGCL)和大腸桿菌羥基丙二酸半醛還原酶(EcTSR)基因(其中EcGCL和EcTSR 以融合蛋白形式EcGCL*EcTSR)引入葉綠體中，簡(jiǎn)稱GCGT 支路(圖2: B)。春季大田種植，轉(zhuǎn)基因植株相比于野生型，凈光合速率、生物量及單株產(chǎn)量顯著提高。2021年Roell 等[68]在擬南芥中導(dǎo)入β-羥基天冬氨酸循環(huán)4 個(gè)核心酶，即天冬氨酸:乙醛酸轉(zhuǎn)氨酶、β-羥基天冬氨酸醛縮酶、β-羥基天冬氨酸脫氫酶和亞氨基琥珀酸還原酶，通過(guò)融合過(guò)氧化物酶體靶信號(hào)(PTS)定位到過(guò)氧化物酶體(簡(jiǎn)稱BHAC 支路)。β-羥基天冬氨酸循環(huán)能不依賴于光呼吸中間產(chǎn)物3-磷酸甘油酸再生或光呼吸前體脫羧,而是以高效碳、氮和節(jié)約能量的方式將光呼吸的代謝產(chǎn)物乙醛酸轉(zhuǎn)化為草酰乙酸，這意味著在C3植物中構(gòu)建C4循環(huán)具有可行性。

圖2 水稻葉綠體中GOC (A)與GCGT (B)光呼吸支路示意圖[66–67]Fig.2 Schematic diagram of photorespiration bypasss of GOC (A) and GCGT (B) in rice chloroplasts[66–67]

3.4 光呼吸支路改造中的能量平衡

Peterhansel 等[62]對(duì)光呼吸改造支路代謝途徑所消耗能量進(jìn)行計(jì)算，自身光呼吸代謝過(guò)程需消耗12.25 個(gè)ATP，GGT 支路需消耗9.25 個(gè)ATP，GMC支路需消耗15 個(gè)ATP，GOC 支路中沒有產(chǎn)生額外還原力，整個(gè)支路需要消耗20 個(gè)ATP，GCGT 支路反應(yīng)過(guò)程中也沒有還原力的產(chǎn)生，整個(gè)支路要消耗11.75 個(gè)ATP。GGT 途徑與自身光呼吸代謝相比減少了3 個(gè)ATP 的消耗，降低了光呼吸過(guò)程中的能量消耗。GMC 支路與GOC 支路在能量平衡方面沒有優(yōu)勢(shì)，其能量消耗還高于自身光呼吸代謝，尤其是GOC 高出7.75 個(gè)ATP。但為何GMC 支路與GOC支路轉(zhuǎn)基因植株光合速率與產(chǎn)量仍有明顯提高，可能是提高了葉綠體周圍的CO2濃度，在葉綠體中形成了CO2濃縮機(jī)制所致[13]。

4 展望

近年來(lái)對(duì)于如何進(jìn)一步降低C3作物光呼吸速率，提高其光合效率以及產(chǎn)量進(jìn)行了大量研究并取得了一定的進(jìn)展，隨著基因工程、酶工程及合成生物學(xué)的快速發(fā)展，降低Rubisco 氧化反應(yīng)，創(chuàng)建CO2濃縮機(jī)制及光呼吸支路的技術(shù)水平將會(huì)不斷提升。相較于天然固碳途徑，人工生物固碳似乎取得的效果更為明顯，并逐漸成為當(dāng)前關(guān)注的熱點(diǎn)。相比于其它優(yōu)化光呼吸的策略，未來(lái)通過(guò)光呼吸支路改造與優(yōu)化以及Rubisco 固碳效率的提升最具有潛力與前景，這對(duì)于解決環(huán)境、碳中和、糧食等重大問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)生態(tài)綠色可持續(xù)發(fā)展等戰(zhàn)略要求具有重要的理論和實(shí)踐意義。