最近，IGI 宣布了一项雄心勃勃的新项目，旨在增强植物和土壤从大气中捕获碳的能力，目的是利用基因组工具帮助应对气候变化。该计划的一个关键部分依赖于改善作物的光合作用，因此我们想更深入地研究这个主题。改善光合作用意味着什么，为什么我们认为我们现在有能力这样做？
光合作用如何进行？
光合作用是一个古老的过程，也是一项巧妙的创新。通过吸收二氧化碳并将其转化为糖，早期的单细胞生物能够将很少的能量——光能和空气——转化为生命。随着时间的推移，光合作用使我们的大气充满氧气，并将水生微生物进化成复杂的陆生植物：这两个关键事件塑造了我们今天生活的星球。
为了更深入地了解光合作用的工作原理，让我们稍微了解一下称为叶绿体的细胞部分。与线粒体一样，叶绿体是植物细胞的“动力源”，负责产生能量。它们含有色素叶绿素，使植物、藻类和其他光合生物具有特有的绿色色调。
这些植物细胞内的绿点是叶绿体。
叶绿素从太阳获取光能。这会导致两件事发生：1) 氧气从水分子中释放到我们呼吸的空气中，以及 2) 积累可用于为其他细胞反应提供动力的能量。这种能量用于的主要反应实际上是通过碳固定产生和储存更多的能量。在碳固定中，植物从大气中吸收二氧化碳并用它来制造糖。植物利用糖来储存能量——想一想吃糖能带来的能量激增吧！RuBisCO是负责碳固定的酶，长期以来一直是光合作用工程研究的重点。您可以在此处查看光合作用概述或在此处更深入地了解它。
为什么要设计光合作用？
两大变化同时发生，对我们的食品系统产生重大影响。
首先，我们生活在一个快速发展的世界：2022 年 11 月全球人口超过 80 亿，预计在未来 15 年内还会有 10 亿人加入我们的行列。随着人口数量的增加，对食物的需求也在增加，这带来了巨大的挑战。
其次，大气中二氧化碳和其他温室气体含量的增加导致全球气温升高，对天气模式造成严重破坏，海平面上升，并威胁到全球粮食供应。
工程光合作用可以成为解决这两个挑战的一部分：增强光合作用可以使植物长得更大，产量更高，增加食物供应，同时还可以从大气中吸收更多的二氧化碳，从而有助于减缓或阻止全球变暖。事实上，政府间气候变化专门委员会估计，农业固碳每年可以从大气中去除约 3.8 吉吨的碳，相当于超过 3000 万头成年蓝鲸的重量。
Krishna Nyogi 持有经过基因组编辑的植物
“我认为气候变化是一种生存威胁，如果我能在对抗它方面有所作为，我想这样做，”IGI 光合作用研究的主要研究员兼加州大学植物与微生物学教授 Krishna Niyogi 说伯克利。
到目前为止，人们尝试了什么？
想象一下，将一杯饮料从瓶子里倒进杯子里——你和满满的杯子之间隔着什么？瓶颈减慢了饮料的流动速度，这就是研究人员如何看待光合作用的局限性。酶是加速化学反应的蛋白质。发挥作用的酶缓慢地阻碍了整个反应，阻碍了进行下一步的酶并减慢了一切。
RuBisCO 是这些酶中最臭名昭著的，它的问题是双重的：首先，它是一个缓慢的过程：它固定二氧化碳的工作比普通酶慢大约 20 倍。其次，它也可能因抓取错误种类的分子而犯错误，这会产生一种有毒的副产物，细胞必须花费能量来清理。因此，科学家们试图要么加快 RuBisCO 的速度，要么使其更不容易出错，但到目前为止，这些方法都没有奏效。伊利诺伊大学 Ort 实验室采用的另一种策略——加快清除上述有毒副产品的工程——很有前途，在植物田间试验中显示植物生物量增加了 19-37%。
另一种方法是设计向 RuBisCO 供应更多二氧化碳的方法。这项工作尚未为植物改良产生必要的碳固定增加，但途径仍然开放。
另一种工程化光合作用的方法是添加额外的酶拷贝以加速碳固定。事实证明，这比最初想象的要棘手，而且实验室的结果并不总是能在温室和露天试验中得到证实。
CRISPR 和光合作用工程
以前，光合作用的基因工程涉及将基因从一种植物物种转移到另一种植物物种，从而产生我们所知的转基因或“转基因生物”。
“我们之前采用的方法是转基因，我们从实验室植物拟南芥中提取基因，并将它们放入我们正在研究的食用植物中，”Niyogi 说，“但一直以来我们都认为我们也许能够使用 CRISPR 来编辑植物自身的基因并实现同样的目标。
这种新的非转基因方法特别有助于获得监管批准，将工程植物带给更广泛的受众，例如粮食作物。
Niyogi 的 CRISPR 策略是让植物更加节约资源：如果植物通过减少不太重要的过程来节省能源，它就有更多的能量用于通过光合作用从大气中吸收二氧化碳。例如，就像我们一样，植物会因光照过多而受到破坏。当我们在户外待太久而被晒伤时，植物也会因过度光照而受到类似的压力，包括对 DNA 和光合机制的损害。
Niyogi 之前的研究重点是优化这种方式，让植物更快地恢复和准备光合作用。借助 CRISPR 提供的基因编辑功能，现在有可能在不依赖外部基因帮助的情况下完成这项工作。
“这就是 CRISPR 工具真正发挥作用的地方，”从事该项目的研究生 Flora Wang 解释道。“通过相对较小的改变，你可以创造出功能更好的无转基因植物。”使用
传统的基因组技术，Niyogi 加快光恢复的方法使植物大了 15%——与全球粮食供应预计增加的百分比相同未来的需求。有了 CRISPR，可能会有更大的发展空间。
良好的基因狩猎
套用一句古老的格言，“要知道你要去哪里，你必须知道你来自哪里。”这反映了 David Savage，IGI 研究员和分子与细胞生物学系副教授的研究背后的指导原则。Savage 正在开发一个工具包，用于探索植物遗传学，为 CRISPR 工程做准备。当 Niyogi 的光合作用工程方法正在深入研究已知机制时，Savage 正在后退一步，以帮助识别可能产生植物改良的其他基因。
戴夫·萨维奇 (Dave Savage) 和小苗
像小麦这样的植物有超过 120,000 个基因——是人类基因组基因数量的五倍多！寻找可以改善光合作用的基因是一项类似于大海捞针的任务。Savage 实验室的系统生物学家 David Ding 评论了这一挑战：“瓶颈在于了解哪些基因变化会给你带来正确的特征。”
为了加快这一发现过程，Savage 创新了一种全面的方法，并行研究数千个基因，而不是一个一个地研究。Savage 实验室的研究人员没有使用昂贵、费力且缓慢的整株植物，而是使用 CRISPR 靶向单个植物细胞中的基因。可以同时测试数千个这样的单个细胞和单个基因，从而加速对基因组的搜索。
“如果我们能够在进入完整植物之前观察改变基因的影响，”丁说，“我们有可能检查比以前更多的基因。” 更清洁、更快的
CRISPR
Savage 还致力于提高 CRISPR 在植物中的编辑能力。从历史上看，植物育种需要多代才能确保您所有的植物都具有感兴趣的性状和相应的基因版本。由于许多植物的基因组很大，这可能很棘手！例如，人类每个基因都有两个副本。但是面包小麦的每个基因都有六个拷贝！为了在小麦中稳定地获得一个新性状，每个拷贝都必须是正确的。
对于传统育种，这需要数年到数十年才能完成。Savage 的目标不仅是利用 CRISPR 对植物基因组进行特定编辑，还旨在提高其编辑效率。目标是同时对一个基因的所有拷贝进行编辑，从而大大缩短到达成功设计植物所需的时间。
“无论是否有机，我们的食物都是经过工程设计的，因为植物育种者和数千年的人类工程师已经进化出这些植物，而 CRISPR 只是其中的最新一步，”Savage 说。“如果我们对植物生物学的更深层方面有足够的了解，我们就可以通过 CRISPR 以侵入性较小的方式实现这些重要的植物品质。
”
与以往相比，在改善光合作用的道路上仍然存在一些障碍。一个挑战是植物物种之间研究的可转化性。
“植物种类繁多，很难与之合作，”Savage 说。“其中一个挑战将是弄清楚如何取得进展并快速评估该进展是否会在相关物种中起作用。
”固定更多碳的破坏性方法。
正如丁所说，“你可以通过生产许多植物来扩大这项技术的规模，这些植物的效率都提高了 10%，并将更多的碳排放回土壤中。”将改进的光合作用与可持续农业实践相结合，不仅可以最大限度地去除碳，还可以再生土壤以备将来使用。
除了技术细节之外，这项研究还有人为因素：农民和种植者需要采用 CRISPR 编辑的植物，以便在能够产生所需影响的规模上提供它们的利益。
“如果你传播你的科学，农民就会感兴趣，因为这比我们正在使用的传统作物要好得多，”Wang 说。当然，这些作物必须从农场转移到餐桌，消费者也必须有发言权。“要进行有效的科学传播和与公众对话，肯定还有很多工作要做。”
目标是提供双赢：农民将获得更高的作物产量，消费者喜欢的食物品种将得到保存，最重要的是，全人类将从减少大气中的碳中受益。
