原文以Dual-cycle CO₂ fixation enhances growth and lipid synthesis in Arabidopsis Thaliana為標題發表在Science（IF=45.8）上

作者 | KJ Lu, CW Hsu, WN Jane, MH Peng, YW Chou, PH Huang, KC Yeh, SH Wu, JC Liao

在植物光合作用中，碳損失一直是限制生長與產量的關鍵瓶頸。近期科學家們設計出一種創新的“malyl-CoA-glycerate（McG）循環”，能夠顯著提升植物的碳利用效率、脂質產量和整體生長。

McG循環：讓每個碳都物盡其用

在傳統卡爾文循環中，固定碳原子生成乙酰輔酶A（acetyl-CoA）用于脂質和植物激素合成時，會損失一個碳，同時光呼吸還會將乙醇酸氧化為CO?，造成額外碳浪費。

McG循環的出現解決了這一難題。它可以將乙醇酸或3-磷酸甘油酸（3PG）直接轉化為乙酰-CoA，提高碳利用效率，同時避免光呼吸造成的損失。當以3PG為底物時，還能額外固定一個碳生成兩個乙酰-CoA。關鍵酶PPC使用碳酸氫鹽作為底物，不與RuBisCO競爭葉綠體中的CO?，從而進一步提升乙酰-CoA生成效率。

McG植物表現出顯著生長優勢

在擬南芥中，McG轉基因植物與野生型相比顯示出多項優勢：

• 生物量增加2–3倍，葉片數量和面積顯著提升
• 角果與種子產量提升，葉片和種子脂質含量增加
• 凈碳同化率幾乎翻倍
• 光系統II效率提升，光系統I/II、細胞色素b6/f、電子傳遞鏈及F型ATP合酶蛋白含量明顯增加
• 細胞分裂素水平升高，頂端分生組織（SAM）增大，葉原基數量增加，整體生長得到促進

這些變化顯示，McG循環不僅優化了碳利用，還通過增加乙酰-CoA和細胞分裂素形成正向反饋循環，進一步增強光合作用能力和植物生長。

C2為核心的雙循環碳固定系統（McG循環）研究者在擬南芥葉綠體中引入了 McG循環（藍色），與植物原有的 CBB循環（黑色） 協同工作。

• 目的：更高效地合成 乙酰輔酶A（acetyl-CoA），同時繞過光呼吸造成的碳損失。

• 結果：McG轉基因植株生長更大，種子和脂質產量顯著提高，形成正向反饋循環，進一步增強生長潛力。

  
  

實驗如何驗證？LI-6800全程守護

為了準確測量McG植物的光合表現，科學家們使用了LI-6800便攜式光合熒光測量系統，它能夠同時測定凈碳同化速率（A）、蒸騰速率（E）、實際光化學量子效率（?PSII）、葉片溫度及空氣溫濕度等多項參數，實現高精度、實時且可重復的測量。

LI-6800便攜式光合熒光測量系統

樣品與測定流程

1. 樣品準備：選擇4–5周齡植物特定葉片進行測量

2. 單葉凈碳同化（A）測定：
   葉片固定在2cm2葉室中，光強根據實驗需求調節，
   CO?濃度由1500降至50μmol mol?1，測定A/Ci曲線和光響應曲線
3. 水分利用效率（WUE）計算：A / E
4. 整株蓮座葉測定：結合ImageJ軟件測定葉面積，繪制CO?響應和光響應曲線
5. PSII量子效率（?PSII）測定：光強1500–25μmol m?2 s?1，CO?條件400或1500 ppm
6. Ci*及白天呼吸測定：采用斜率截距法，光強50–200μmol m?2 s?1
   
   

總結

McG循環實現了高效、低能耗的乙酰-CoA生成，無碳損失，為植物提供更多代謝物原料，同時提升光合作用效率和生長表現。這一創新的“C2為核心”碳利用策略，為未來高產、可持續農業提供了全新思路。