運用生物工程技術將可望提升近三成水稻產量
2019/02/25 @國際
摘要
中國大陸華南農業大學的研究團隊建立了以農桿菌作為基因轉殖的技術，改良水稻葉綠體內的三個酵素，透過GOC途徑，植物體可迅速將光呼吸作用產生的乙醇酸在胞器內迅速地代謝成二氧化碳、水及氧氣，株型則顯得較碩大、翠綠，稻穀收成提升7-27%。
示意圖
糧食安全一直是世界各國關注的重要課題，透過現代化分子生物技術改良作物的遺傳性狀，將大幅提升作物產量，避免糧食短缺的問題。中國大陸華南農業大學運用基因轉殖的方式，改良水稻(Oryza sativa, rice)葉綠體胞器中的酵素活性，藉此提高其生產量。
在植物生理中，植物經光合作用將二氧化碳固定後，以醣類的形式儲存能量。然而除了光合作用外，包括水稻在內的C3植物，皆具有光合作用與光呼吸作用兩種代謝途徑，由於發生在葉綠體中的光呼吸作用產生的乙醇酸會被進一步轉移到其他胞器中代謝成二氧化碳及氨，其產生的二氧化碳無法直接在葉綠體內經光合作用所固定，因此如何減少光呼吸作用帶來的影響、提高葉綠體胞器內可直接利用的二氧化碳濃度，進而提升光合作用的固碳效率，藉此增加作物產量成了研究的重點方向之一。中國大陸華南農業大學的研究團隊建立了以農桿菌(Agrobacterium)作為基因轉殖的技術，改良水稻葉綠體內的三個酵素，分別為乙醇酸氧化酶(glycolate oxidase)、草酸鹽氧化酶(oxalate oxidase)與過氧化氫酶(catalase)。這三種酵素可在葉綠體內形成GOC途徑(GOC pathway)，透過GOC途徑，植物體可迅速將光呼吸作用產生的乙醇酸在胞器內迅速地代謝成二氧化碳、水及氧氣，在胞器內產生的二氧化碳便可直接做為光合作用的碳源，可避免乙醇酸進一步轉移至其他胞器，減少額外消耗其他能量進行代謝的過程。研究發現，轉殖後具有GOC途徑的基改水稻與普通水稻相比，基改水稻具有較低的光呼吸效率、較高的光合作用效率、葉綠體內具有較高的二氧化碳濃度；基改的株型則顯得較碩大、翠綠，稻穀收成提升7-27%，各種結果皆顯示基改水稻具有提升糧食生產的潛力。【延伸閱讀】藉由發展具多元營養素之稻米品種以解決營養需求問題
中國大陸華南農業大學利用農桿菌提升水稻產量的作法，有別於以往僅改變單一酵素的手段，研究藉由一次改良作物體內多個基因，影響作物生合成途徑的方式，進而改變其光合作用效率、提高收穫量。華南農業大學的研究團隊也計畫將該基改技術應用在其他作物上，盼能提高其他糧食作物的產量。
該研究由中國國家自然科學基金會資助，相關研究成果已發表在<Molecular Plant>。
資料來源
- Asian scientist
- Engineering a New Chloroplastic Photorespiratory Bypass to Increase Photosynthetic Efficiency and Productivity in Rice
文章摘譯
