节水CAM光合作用工程抗旱作物

研究人员研究了在节水气候下生长的C3植物中引入节水的Crassulacean酸代谢（CAM）光合作用的作用，该植物在干旱条件下能够繁衍生息。

ASPB非常高兴地宣布发表了一项值得注意的研究，该研究调查了在温带环境中进行光合作用的节水替代品，而这些替代品将来可能会变得更热和更干燥。

干旱在世界许多地区造成严重的农作物损失，气候变化有可能加剧温带地区和干旱地区干旱的发生。在发表在植物细胞上的新著作中，莱布尼兹植物遗传与作物植物研究所的纳丁·特普弗博士与英国牛津大学的同事一起，通过介绍分析了工程化抗旱植物的潜力芥酸代谢（CAM）的研究。他们使用了一种复杂的数学建模方法来研究将CAM光合作用引入C3植物的效果，CAM光合作用能够在干旱条件下繁盛的植物用于C3植物，而C3植物仅在阳光强度和温度适中且水分充足的地区才会繁盛很丰富。

NadineTöpfer博士，研究论文的第一作者。

大多数植物，包括一些主要农作物，例如水稻，小麦，燕麦和大麦，都使用C3碳固定，其中白天通过叶上气孔吸收的CO2立即用于光驱动的光合作用反应中。不幸的是，这导致在炎热干燥条件下通过这些孔的大量水损失。CAM是一种替代性的碳固定途径，可以暂时将CO2吸收与碳固定分开，从而使植物在凉爽的夜晚打开气孔以吸收CO2，并在内部存储碳。然后，CAM植物在一天中的高温期间关闭其气孔以最大程度地减少水分流失，并释放出叶细胞内部存储的CO2，以在白天用于光驱动的光合作用。

通过在一系列温度和相对湿度条件下进行仿真，作者提出了以下要求：在通常种植C3作物的环境中，完整的CAM或其他节水方法是否会更有成效？他们发现，叶片中液泡的储存能力是限制CAM期间水分利用效率的主要因素，并且环境条件决定了CAM循环不同阶段的发生。数学模型还确定了一个替代的CAM循环，该循环涉及线粒体异柠檬酸脱氢酶，这可能是夜间初始碳固定的潜在原因。

首席作者纳丁·特普费尔（NadineTöpfer）在牛津大学李·史威特洛夫教授小组的玛丽·居里博士后奖学金期间任职，他说：“建模是探索复杂系统的强大工具，它提供了可指导实验室和现场工作的见解。我相信我们的结果将为旨在将CAM植物的节水性状转化为其他物种的研究人员提供鼓励和想法。”

他们的研究结果表明，CAM光合作用的节水潜力很大程度上取决于环境，而白天环境要比晚上更为重要，而且与自然发生的CAM循环不同的其他代谢方式可能是可能的。在某些条件下（例如在较短的几天内，极端温度较低的情况下）是有益的。这项及时的工作提供了宝贵的见解，将有助于我们为日益炎热和干燥的温带环境中种植粮食作物的挑战做好准备。

参考：替代CAM模式在NadineTöpfer，Thomas Braam，Sanu Shameer，R.George Ratcliffe，Lee J.Sweetlove，2020年10月22日的植物细胞的
叶片代谢模型中提供了特定于环境的节水效益。10.1105 / tpc.20.00132