光合作用合成生物學研究現狀及未來發展策略

朱新廣 熊 燕 阮梅花 劉 曉 徐 健 鐘 超

1 中國科學院植物生理生態研究所 植物分子植物卓越中心和分子遺傳國家重點實驗室 上海 200032

2 中國科學院上海生命科學研究院（上海營養與健康研究院） 上海 200031

3 中國科學院青島生物能源與過程研究所 青島 266101

4 上海科技大學 上海 201210

光合作用是植物利用太陽光能，以 CO2和水為原料，合成碳水化合物的生物物理、生物化學過程。光合作用為人類提供糧食、能源，同時也是地球生態系統中碳循環和水循環中的關鍵一環。光合作用對人類社會的重要性，使得對其的研究及應用一直代表著人類探究自然、改造自然的最前沿。當前，隨著基因組學、基因組編輯及合成技術、計算能力的快速發展，一個全新的合成生物學研究模式正在形成：一方面，可以設計并制造全新代謝、結構及調控模式，創制新生物學功能；另一方面，利用該模式為生命科學基礎研究提供全新研究材料及視角，從而檢驗當前生命科學的基本理論及假設。光合作用合成生物學在這個多學科融合的大背景下應運而生。光合作用合成生物學的實質是利用光合作用基本原理，整合多學科理論、技術方法，通過理論設計、工程改造及人工進化等手段，創建新型光合系統，為社會創制更好的糧食、能源、生態系統服務功能供給方式，并為光合作用研究提供新材料及資源，提高人類認識光合作用、利用光合作用的能力。

1 我國及國際光合作用合成生物學研究現狀

歷史上，我國在光合作用基礎研究上曾經作出重大貢獻。早在 20 世紀 60—70 年代，我國集中開展了光合作用光能磷酸化的機理研究，提出在 ATP 合成過程中需要有高能態存在，支持了 ATP 合成過程中的電化學勢梯度學說[1]；同時，中國科學院植物生理研究所殷宏章等在 20 世紀 60 年代就認識到冠層光合作用效率對產量有重大貢獻，并系統開展其定量研究。近年來，我國在光合作用光反應色素蛋白復合體的結構與功能[2-4]、C4光合作用等領域[5,6]、Rubisco 結構與功能[7]、光合作用光系統調控及建成[8,9]等研究領域獲得較大進展。然而，整體而言，我國光合作用研究與美國相比，研究規模及水平仍存在較大差距。對 1997—2017 年光合作用相關研究的 SCI 論文進行統計發現，美國在光合作用領域的研究數量及質量都占世界首位，其 10 年論文量為 22 312 篇，占該領域世界總文章量的 26.04%①檢索日期：2018-10-08；數據庫更新日期：2018-10-05；論文類型限定為Article+Review。；ESI 高水平論文量 521 篇，占 ESI 高水平論文量 1 201 篇的 43.38%；發表在 Nature、Science、Cell（CNS）三大刊的論文量為 247 篇，占 CNS 論文量 403 篇的 61.29%。1997—2017 年光合作用領域專利申請量中國（12 102 件）超過美國（4 288 件）排名世界第一，但專利強度為 5 分②利用Innography專利數據庫進行檢索，檢索日期：2018-10-09。專利強度（strength）是該數據庫特有的、衡量專利質量的一個指標，該指標是一個復合指標，涉及10多個影響因素，分數越高，專利價值越高，總分是10分。及以上的專利數量，美國（1 025 件）排名世界第一，中國（654 件）排名第二。

在光合作用合成生物學領域中，近年來國際相關研究團隊獲得長足發展。尤其是以比爾-梅琳達蓋茨基金會支持的國際 C4水稻項目、國際以 C3改良為核心的 RIPE 項目為支點，當前國際上已經建立了多個光合作用合成生物學研究高地，建立了高度合作的國際研究團隊，創建了開展光合作用合成生物學研究的關鍵工具、平臺及資源，并取得重大進展[10]。與此同時，以色列威茲曼研究院在自養大腸桿菌創建方面獲得長足進展，實現了利用丙酮酸支持大腸桿菌自養生存[11]，為自養型工業微生物建成跨出實質性一步。

在光合作用合成生物學研究領域，我國科學家也經過多年的努力，在幾個研究領域中占據國際領先或者齊平的地位。首先，在國家相關經費尤其是中國科學院戰略性先導科技專項的支持下，我國建立了從分子、細胞器、細胞、葉片、冠層乃至整個個體的系列光合作用系統模型[12]，對于指導 C3、C4及全新光合途徑的改造起到支撐作用；近期又連同國際同行，創立了專業學術雜志 in silico Plant，這為我國在該領域持續開展國際領先性的研究、確立標準制定權奠定了基礎。同時，我國也在光呼吸支路改造、藻膽體重建、光合特定基因改造等方面開展了研究[13-18]。

同時，我國研究人員也建立了以藍細菌等單細胞藻為底盤，生產各類能源及高附加值分子的研究體系及平臺[19-22]，樹立了以微擬球藻為代表的工業微藻合成生物學模式物種[23-27]，建立了能源微藻合成生物學國際研究合作網絡，為深入理解光合作用的網絡調控機制，以及設計與構建高效、低成本、可規模化部署的光合產能細胞工廠奠定了基礎。同時，結合化學、材料和合成生物學等方面的技術，國際上正在開展有機/無機人工光合復合催化體系，這代表著人工光合領域的一個研究熱點。這種具有廣闊前景的人工光合作用體系結合了生物系統的催化特異性，以及無機納米材料的高光電轉換效率等優點。其中蛋白酶-納米材料體系和活細胞-納米材料體系是該領域中較為常見的兩種方法。以活細胞-納米材料體系為例，這個體系巧妙地結合了細菌體內的代謝通路和無機材料提供代謝通路所需的還原力，從而通過模擬光合作用產生具有高附加值的產物。例如，日本科學家利用光能夠讓特定半導納米材料產生電子，電子通過甲基紫精跨膜傳遞到細胞體內，能驅動含有氫化酶的細菌連續不斷地產生氫氣[28]。美國科學家則通過 CdS 量子點在細菌的表面原位沉積：在光照條件下，電子傳遞到細菌體內提供還原力來促進 Wood-Ljungdahl 循環的進行；最后，通過模擬人工光合作用，能直接將 CO2代謝生成乙酸，實現了光能到化學能的轉化和存儲[29,30]。

2 我國在光合作用合成生物學研究方面的短板

盡管我國在光合作用合成生物學相關領域獲得一定進展，然而我國在這一領域中的研究仍具有明顯短板。

2.1 我國光合作用相關研究仍較為零散

盡管實現了在特定領域（如光合作用系統生物學、光合作用大分子結構與功能等）的國際話語權，但是整體水平仍較低，尤其是國家層次的研究平臺尚未建成，這與光合作用在社會發展中的重大戰略性意義不相稱。與此相對，國際多個發達國家都競相成立光合作用研究大型團隊和平臺，這些團隊之間也一改已往相互競爭態勢，形成了緊密合作的國際光合作用研究群體，占據了當前光合作用合成生物學話語權。

2.2 我國光合作用合成生物學研究目前跟實際應用之間的距離仍較大

在這一方面，首先值得一提的是，鑒于對光合磷酸化的基礎研究成果，中國科學院上海植物生理生態研究所在 20 世紀 80 年代就發現，噴灑亞硫酸氫鈉可以有效提高葉片環式電子傳遞，增加 ATP 供給，從而有效提高冠層光合作用效率及作物產量，這是光合作用基礎理論研究用于指導生產的一個成功案例[31]。從研究領域看，在糧食、能源等實用領域，我國光合作用相關研究仍較少，在摘要中同時體現“光合作用”與“能源”或者“育種”的研究僅僅為 2 718 篇，占中國光合作用領域論文總量的 22.70%。這一問題也體現在國家大型研究項目的設計與部署上。例如，盡管在“十二五”期間，“973”部署了“人工葉片”項目，“863”合成生物學重大項目部署了“光能人工細胞工廠的構建及應用”課題，但這些研究總體上屬于基礎研究和共性技術開發，尚未與大規模生物燃料生產的實際分子育種需求相結合。而在“十二五”期間部署的“973”項目“微藻能源規模化制備的科學基礎”則側重于微藻生物柴油生產全流程的示范，基本上沒有微藻光合作用的研究內容。

2.3 我國光合作用研究科研經費支持仍然較低

近 10 年國家自然科學基金委員會在重大項目和重點研發計劃中，包括了光合作用、礦質營養代謝、發育生物學、逆境生物學等領域，光合作用相關研究在這些領域中所獲得的資助最少。在各類作物育種項目中，盡管高光效被認為是大幅度提高產量的重要途徑，然而光合作用改良相關研究所得支持相對較少；同樣，在生物能源方面，也存在相似問題。如何從政策及經費支持上，有效促使基礎研究與應用研究之間的有效融合，是保障光合作用合成生物學研究長足發展的一個關鍵問題。

3 光合作用在現代及未來社會中的重大戰略性支撐作用

3.1 提高光合作用效率在未來提高糧食產量中將起到關鍵作用

與以往相比，光合作用改造或者改良將在解決未來糧食、能源及維持可持續性的生態環境中將起到更重要的關鍵性作用。近 50 年來，在矮化育種、雜交育種、分子標記輔助育種等技術的支持下，作物產量得到大幅度提高[32]；因此，盡管世界人口從 1960 年的 30 億增長到 2018 年的 75 億，增加了近 1.5 倍[33]，但是全球糧食安全沒有受到重大威脅。近些年來，亞洲、非洲、拉丁美洲等地人口持續以近或高于 1% 的年增長率高速增加，然而糧食產量年增加幅度逐年變緩，糧食安全隱患逐步浮現出來。從現在到 2050 年，多種預測都表明，糧食產量需要增長 0.85 倍才能保障如今的人均糧食消耗[34]。在作物收獲指數從當前近于或者大于 0.5 的情況下，大幅度提高收獲指數已無可能；另外，隨著城市化進程，大幅度提高農用耕種面積可能性也消失的情況下，進一步提高光能利用效率成為未來大幅度提高作物產量潛力的重要甚至是唯一可行的途徑[35]。值得一提的是，盡管提高作物抗逆性同樣是提高光能利用效率的重要手段；但是，大量研究表明，提高光能利用效率可以同時實現在逆境下的作物產量[36]。

3.2 基于光合作用的生物能源將成為未來重要替代能源形式

在能源供給方面，隨著地球上不可再生的化石能源的耗竭，人類目前也同樣面臨尋求新的替代能源的緊迫任務。基于光合作用的生物能源與核能、風能、太陽能等都成為未來能源的重要選項。與其他替代能源形式相比，基于光合作用的生物能源具有高效率、維護容易、低能耗維持高效運行、可存儲、安全性高、不產生溫室效應氣體等諸多優點。進一步講，基于藻類的生物質能源生產，也因為其可以不占用農田耕地、光能轉化為生物能的產率高等優點，在替代能源中起到越來越重要的作用。美國建立了 4 個生物能源研究基地，包括大湖區生物能源研究中心、生物能源創新中心、聯合生物學能源研究所、先進生物能源及生物產品創新研究中心。美國的《可再生燃料標準》規定，到 2022 年，每年燃料供應中混合生物燃料的供應量將達到 360 億加侖③加侖，美制單位，1加侖等于3.785升。；巴西《國家能源計劃 2030》規劃到 2030 年，生物乙醇和生物柴油的年產量分別達到 660 億加侖和 185 億加侖。美國提出的《2015—2020 戰略研究報告》計劃到 2050 年，將生物質能源在整個能源消耗中占據 25%—33%[37]。

3.3 提高光能利用效率是創建綠色、高效農業，創建未來生態文明的關鍵一環

光合效率的改良和優化是未來創建生態文明、維護未來可持續生態環境的重要途徑。當前，由于化肥的過度使用，土地、河流富營養化已經成為我國重大環境問題。到 20 世紀 90 年代，我國湖泊富營養化比例已經高達 77%[38]。提高光能利用效率，創建高產、高效作（植）物，減少化肥使用量，是未來創制綠色、可持續農業發展的關鍵所在，也是構建國家生態文明的重要一環。進一步講，當前全球氣候變化中最重要的兩個因子，即大氣 CO2濃度增加及溫度升高，都是影響光合作用的主要因子[39]。如何改造、優化當前光合作用系統，使之在全球氣候變化下仍保持最佳光能轉化效率也是當前農業生產中亟待解決的重大問題。

4 未來光合作用合成生物學重大研究方向

當前光合作用合成生物學研究正面臨一個寶貴的戰略機遇期。國際上盡管在光合作用合成生物學領域中得到較早發展，然而將光合作用合成生物學研究放到較長的歷史時期來看，其整個學科發展程度仍然基本處于起步階段。盡管目前我國在該領域的研究中確實存在較分散、與實際應用聯系較少等短板，但是我國開展光合作用合成生物學研究也具有得天獨厚的優勢。一方面，我國人口眾多、歷史上近期曾出現過重大饑荒的集體記憶，使得我國在光合作用合成生物學領域啟動大規模研究具有強大政治基礎和民眾支持；另一方面，我國目前在植物遺傳學、作物基因組學、合成生物學等領域中都具有國際一流的研究團隊，這為光合作用合成生物學研究提供了關鍵技術及平臺基礎[40-42]。

同時，當前對光合效率的重新認識也為大規模開展光合作用合成生物學提供了強大理論依據。光合作用運行需要 CO2、水分和光照，而且其效率深受溫度等環境因子的影響；歷史上植物適應特定環境條件，進化形成當前的光合作用系統。當前全球 CO2濃度已經達到 405 μL/L，是接近于過去 40 萬年的全球平均 CO2濃度的一倍[43]。如果依據 RCP8.5，國際氣候變化委員會（IPCC）利用 EMIC 預測到 2050 年及 2100 年，全球 CO2濃度將依次達到 550 和950 μL/L[39]。長期適應環境形成的當前的植物光合作用系統（包括光反應、碳代謝等）必須進行調整、改造才得以適應全新的生長環境；進一步講，在自然選擇中，植物進化出的諸多性狀其最大目的是擴大自己向后代傳遞遺傳信息的能力，而不是高光效。最后，在進化及人工選擇過程中，植物僅能夠利用現有的遺傳資源及工具，沒有方法進化出最高、最優化的可將光能轉化為化學能的系統[35,44]。所有這些都表明，在當前及未來，植物光合系統離實現最佳光能利用效率相差甚遠，利用合成生物學技術，人工干預、優化及改造光合系統，提高光能利用效率，從而為人類更好地提供糧食、能源供給。

當前，光合作用合成生物學研究逐漸形成以下 5 個研究方向（表 1）。

4.1 現有光合途徑自然變異的合成生物學改造及優化

光合作用合成生物學近期目標是利用自然界已有光合作用系統，挖掘當前系統得以改造及優化的位點，進而通過合成生物學手段，改造、優化現存光合系統，提高其光能利用效率。這個方面需要進行系統改良的靶標包括：Rubisco 動力學參數，ATP 合成酶結構及功能，天線系統大小及組成，碳代謝酶含量及調控，葉片結構，光合系統高光、低光、動態光強的利用能力，以及光合作用在高溫、低溫下的功能等。

4.2 光合系統與光合同化產物利用途徑協同

通過光合作用合成生物學研究，定向調控光合產物消耗相關代謝過程，將不僅有利于提高光能利用效率及作物產量，也為利用“植物工廠”生產高能、高附加值原料提供全新途徑。這里目前亟待布局的研究包括：改造植物源庫流系統，優化光合產物的運輸、存儲、分解及利用，優化根系對光合產物的存儲；優化源庫流互作，提高全生育期的光能利用效率；改造植物激素對光合作用的調控作用，釋放光合潛力，提高光能利用效率；改造光合作用系統與基本代謝途徑，在提高生長速度的同時，提高油脂合成速度。

4.3 自然界已有高光效光合途徑的跨物種重建

將具有高光效特征的光合作用系統在當前作物中進行有效重建，實現大幅度提高作物光能、水分及氮素利用效率。這些途徑包括：在 C3植物中實現 C4光合作用改造、羧體重建、pyranoid 重建等；擴充光合作用可用光譜范圍，如建立藻膽體、葉綠素 d 和葉綠素 f 等擴充光譜；將景天酸代謝途徑（CAM）途徑轉入當前 C3植物，提高 C3植物抗旱性。

4.4 創建全新光合系統

基于光合系統運行的分子機理，開展全新的自然界尚不存在的光合系統的構建，拓展光合系統利用多種能源渠道，將為擴展糧食、能源生產渠道，提供巨大潛能。這方面可以進行的基礎及應用研究包括：構建全新 CO2固定通路，建立不用 Rubisco 的、更高效的 CO2固定通路；創制自養型大腸桿菌，建立全新工業微生物底盤；建立全新光合代謝合成通路，實現直接利用以纖維素為基本組成部分的生物量為能源，生產淀粉、蔗糖等工業用糖的高效光合代謝通路；建立全新代謝通路，實現利用光以外能源（如還原能等）為能源，開展 CO2固定的新型光合代謝通路。

4.5 創制光合系統-新材料復合體

基于光合系統的分子機理，創建新型光合系統-材料整合系統，高效生產 O2、H2、電能等高附加值產品。這方面可以進行的基礎及應用研究包括：建立人工光合系統，利用人工系統生產 O2、電能、氫能，構建利用人工光合系統生產光合產物的人造光合系統——葉片光合與智能材料有機結合，這包括在葉片表面建立蠟質層，提高葉片反射提高抗旱性；葉片內植入具有 CO2吸收及釋放能力的全新材料，在氣孔下腔建立高 CO2濃度區域。除此以外，針對現有人工光合體系的諸多局限性（例如光合過程中，無機材料產生的空穴對有機系統的破壞作用，以及無機和有機材料催化活性的不匹配性等），可以利用理性設計策略通過自組裝的方法來精確組裝光催化所需要的酶和無機納米材料，提高電荷傳輸和催化效率，同時減少無機材料在光催化過程中對生物體系造成的光損傷，從而為推進人工光合作用體系的實際應用提供有力的保障。

表1 光合作用改造可以實現的對光能利用效率的提供潛力、主要技術難點及其產業化實現時間表