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(gè)寶貴的戰(zhàn)略機(jī)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(shí)期來看，其整個(gè)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(shí)存在較分散、與實(shí)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(dú)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(dòng)大規(guī)模研究具有強(qiáng)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(tuán)隊(duì)，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(tái)基礎(chǔ)。

同時(shí)，當(dāng)前對(duì)光合效率的重新認(rèn)識(shí)也為大規(guī)模開展光合作用合成生物學(xué)提供了強(qiáng)大理論依據(jù)。光合作用運(yùn)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(jìn)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(dá)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(huì)（IPCC）利用?EMIC?預(yù)測到?2050?年及?2100?年，全球?CO₂濃度將依次達(dá)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(jìn)行調(diào)整、改造才得以適應(yīng)全新的生長環(huán)境；進(jìn)一步講，在自然選擇中，植物進(jìn)化出的諸多性狀其最大目的是擴(kuò)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(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)最佳光能利用效率相差甚遠(yuǎn)，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(gè)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(diǎn)，進(jìn)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(gè)方面需要進(jìn)行系統(tǒng)改良的靶標(biāo)包括：Rubisco?動(dòng)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(dòng)態(tài)光強(qiáng)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(yùn)輸、存儲(chǔ)、分解及利用，優(yōu)化根系對(duì)光合產(chǎn)物的存儲(chǔ)；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(duì)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(shí)，提高油脂合成速度。