Science Advances | 光呼吸替代途径的增产效益分析

2025年3月英国牛津大学Edward N. Smith等人在Science Advances期刊上发表了名为“Alternatives to photorespiration: A system-level analysis reveals mechanisms of enhanced plant productivity”的文章。该研究基于化学计量模型和动力学模型等研究方法，对12种光呼吸替代途径(APs)进行分析和比较，揭示了替代光呼吸途径对植物生产力的影响。

光呼吸替代途径分类：

 固碳型途径

 碳中性途径

 部分脱羧途径

 完全脱羧途径

基于拟南芥叶片的代谢数据构建了化学计量模型，并对光呼吸及12种替代途径进行分析。研究表明，碳固定途径在碳效率、能量利用率等最具潜力，可将光能效率提高27%，而完整脱羧途径则使光能效率降低54%。

图1. APs的分类与建模方法概览

图2.替代光呼吸途径的详细代谢反应图

光呼吸替代途径的五大增效机制，1.能量效率优化(减少ATP/NADPH消耗）；2.支持生物合成(氨基酸前体供应）；3.CO₂重捕获(减少线粒体CO₂损失）；4.提高叶绿体局部CO₂浓度；5.增强卡尔文循环碳利用效率。

图3.不同APs的光合能量效率比较

光呼吸替代途径的效益受植物生理结构(如叶肉细胞排列)和环境条件(光强、CO₂扩散)共同影响。光呼吸替代途径在低CO₂、高光强条件下效益最大，而低光强时碳中性途径(如Ara5P)更具优势。

图4.环境条件对APs的影响

图5.APs提高植物生长的多种机制

该研究运用数学建模与理论分析方法，探究替代光呼吸途径对植物生产力的影响。研究发现，碳固定途径是最具潜力的APs，能够在多种环境条件下显著提升作物产量；同时，不同 APs 的效能会受到环境因素的显著影响。这一成果对于设计新型替代光呼吸途径、优化现有途径以实现作物增产，具有重要的理论指导与实践意义。

原文链接：DOI: 10.1126/sciadv.adt9287