提昇光合作用（photosynthesis）可提昇作物產量

 身為光合自營生物，植物用來合成所有物質的原料都要靠光合作用來挹注。所以說光合作用是地球上最重要的代謝途徑，這一點也不誇張。

但是光合作用的一些不完美之處，也限制了植物的產能。最近伊利諾大學的研究團隊發現，透過基因工程的方法，將植物的光合作用途徑進行一些調整，可以讓作物的產量上升27%。

他們改變了兩個位置：第一個位置是在質體藍素（PC，plastocyanin），第二個位置則是在景天庚酮糖1,7-二磷酸酶（SBPase，sedoheptulose-1,7-bisphosphatase）。

質體藍素（plastocyanin）. 圖片來源：維基百科。

質體藍素位於光反應。對於跟光合作用不熟的朋友，在這裡簡單說一下，光合作用分為光反應（light reaction）與卡爾文循環（Calvin cycle，也稱為碳反應）。光反應把光能轉換為化學能與電子，卡爾文循環把二氧化碳捕捉下來，利用光反應的化學能與電子，將二氧化碳轉換為糖。在光反應中，質體藍素負責把從細胞色素b₆f複合體（cytochrome b₆f complex）接收過來的電子送到另一個複合體：光系統 I（photosystem I）。

這中間有什麼問題呢？原來質體藍素對光系統 I的蛋白質親和力有點高，這使得質體藍素一旦與光系統 I結合，就沒那麼快走掉。這樣一來，下一個帶有電子的質體藍素就沒辦法過來傳遞電子了。

要怎麼辦呢？研究團隊找到了藻類的細胞色素c₆（cytochrome c6）。在藻類中，細胞色素 c6擔任與質體藍素類似的角色，但是它比質體藍素要有效率。事實上，藻類會同時使用質體藍素與細胞色素 c6，就看藻類能從環境中得到什麼樣的礦物質：質體藍素需要銅離子，而細胞色素 c6需要鐵離子，才能發揮正常的功能。

景天庚酮糖1,7-二磷酸酶。圖片來源：維基百科。

第二個位置，景天庚酮糖1,7-二磷酸酶（SBPase）位於卡爾文循環。SBPase負責把景天庚酮糖1,7-二磷酸去掉一個磷酸根，成為景天庚酮糖7-磷酸。這個步驟是卡爾文循環裡的速率限制步驟之一，所以它進行的速率便決定了卡爾文循環可以跑多快（或者可以說，慢？）。

於是研究團隊將藍綠菌的SBPase以基因工程的方式放入植物中。結果發現，額外表達藍綠菌SPBase的植物，不僅光合作用的效率上升了，耗水率也降低了。

當研究團隊讓植物同時帶有藻類細胞色素c₆與藍綠菌的SBPase時，這改良過的植物在溫室中的產量上升了52%，在田間試驗中則上升了27%。所以，透過改造光合作用，的確可以讓作物的產量上升。

這些研究都是在煙草中進行的，不知道換到其他的作物中，是否也能有類似的成果呢？附帶說一句，這個研究團隊的研究經費是比爾蓋茲基金會出的！

參考文獻：

Patricia E. López-Calcagno, Kenny L. Brown, Andrew J. Simkin, Stuart J. Fisk, Silvere Vialet-Chabrand, Tracy Lawson, and Christine A. Raines. Stimulating photosynthetic processes increases productivity and water-use efficiency in the field. Nature Plants, 2020 DOI: 10.1038/s41477-020-0740-1