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Synthetic photorespiratory bypass improves rice productivity by enhancing photosynthesis and nitrogen uptake

生物 光合作用 生产力 氮气 氮气循环 农学 植物 化学 有机化学 经济 宏观经济学
作者
Guoxin Chen,Yanni Li,Kaining Jin,Jiabei Gao,Suting Wu,Xuean Cui,Chuanzao Mao,Xinyou Yin,Tiegang Lu,Zhiguo Zhang
出处
期刊:The Plant Cell [Oxford University Press]
卷期号:37 (1) 被引量:16
标识
DOI:10.1093/plcell/koaf015
摘要

Photorespiration, often considered as a wasteful process, is a key target for bioengineering to improve crop yields. Several photorespiratory bypasses have been designed to efficiently metabolize 2-phosphoglycolate and increase the CO2 concentration in chloroplasts, thereby reducing photorespiration. However, the suppression of primary nitrate assimilation remains an issue when photorespiration is inhibited. In this study, we designed a carbon and nitrogen metabolism-coupled photorespiratory bypass, termed the GCBG bypass, in rice (Oryza sativa) chloroplasts. Our results demonstrated efficient assembly and expression of the GCBG bypass in rice chloroplasts, which affected the levels of typical metabolites and their derivatives of natural photorespiration and enhanced the photosynthetic efficiency. Metabolomic analyses revealed that oxaloacetate, produced from glycolate in chloroplasts, positively impacted amino acid synthesis, energy metabolism, and sugar synthesis. The engineered GCBG plants showed an average yield increase of 19.0% (17.8% to 20.2%) compared with wild-type plants under natural growth conditions, alongside improved nitrogen uptake, which compensated for 44.1% of yield losses under nitrogen-limited conditions. In summary, the GCBG bypass substantially improved the photosynthetic efficiency, biomass, and yield in rice by integrating carbon and nitrogen metabolism. This study introduces a strategy for engineering high-yielding rice or other crops with improved photosynthetic efficiency and nitrogen uptake.
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