老葉的植物王國

  乙醇酸（glycolate），光呼吸作用的產物。圖片來源： 維基百科 影響植物光合作用（photosynthesis）效率的最大因素就是光呼吸作用（photorespiration）了。植物卡爾文循環（Calvin cycle）的第一個酵素RuBisCo（D-核糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶，D-ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase）因為將氧氣誤當成二氧化碳，於是1,5-二磷酸核糖（RuBP，ribulose 1,5-bisphosphate）被氧化，產生一個3-磷酸甘油酸酯 （3-PGA，3-phosphoglycreate）與一個乙醇酸。乙醇酸無法被植物使用，必須經過三個胞器、消耗ATP（能量）與氧氣來回收它。光呼吸作用可以造成光合作用效率下降大約三成，所以的確是一個不容忽視的反應。 有些植物演化出了避免產生乙醇酸的方法：這些植物藉由在卡爾文循環前增加一個固碳的步驟，並將卡爾文循環移到葉片中心的髓鞘細胞（bundle sheath cell），讓乙醇酸的產生完全阻斷。這樣的代謝形式稱為C4代謝，進行這種代謝形式的植物被稱為C4植物。 但是，世界上的重要糧食作物：水稻、小麥、玉米、馬鈴薯中，只有玉米是C4植物。那麼，有沒有辦法改善C3植物的光合作用效率呢？有些科學家試圖將C3植物改造為C4植物，但似乎不是一件容易的事。 最近有研究團隊想到了其他的辦法。在 2019年的《自然》期刊 中，有研究團隊在海洋微生物中發現了一個稱為BHA循環（β-羥基天冬氨酸循環，β-hydroxyaspartate cycle）的代謝途徑。BHA循環可以把乙醇酸代謝為草醯乙酸（OAA，oxaloacetate），是目前已知最有效率的乙醇酸轉換系統。海洋微生物之所以擁有這個系統，是因為海中的浮游植物會產生大量的乙醇酸，所以乙醇酸對海洋微生物來說是很好的能量來源。 由於BHA循環總共只有四個酵素，研究團隊決定要把它們一一轉入C3植物（在這裡選用的是阿拉伯芥），讓它們表現在植物的過氧化氫體（peroxisome）中，觀察如此一來是否能改進植物的光合作用效率。 結果發現，雖然四個基因都成功地表達，也的確把乙醇酸代謝為草醯乙酸了，但是在400ppm的二氧化碳下，植入BHA循環的植物長得比野生種要不理想；不過到了高濃度（3000...