2020年12月01日，国际植物系统生物学杂志in silico Plants在线发表题为“Why does an increase in activity of an enzyme in the Calvin Benson Cycle not always lead to an increased photosynthetic CO2 uptake rate? – A theoretical analysis”的研究论文(Zhao et al., 2020)。 文中作者利用系统模型模拟的方法，系统评估了卡尔文-本森循环（CBC）中各个酶活性变化对光合CO2固定效率的影响，发现过度增加一些酶促反应的最大催化活性会抑制CBC的效率，并鉴定了维持CBC高效稳态的两个必要调控因子，为以CBC代谢改造为目标的作物高光效改良提供了新的思路和理论依据。
提高CBC的运转效率是作物高光效育种的重要途径之一。在改良的实践中，自2001年Miyagawa等通过在烟草中过表达SBPase/FBPase的手段成功增加了烟草的光合和生物量以来 (Miyagawa et al., 2001)，人们多次尝试了将CBC中的酶以单个或者多个组合方式在植物中过表达，试图通过增加CBC中的酶含量来促进CBC的CO2固定效率，并最终实现植物光合能力和生物量的提高。然而对不同的酶和遗传背景材料而言，这些改良对光合和生长影响也不尽相同：其结果从促进作用、无显著作用到抑制作用均有发现。因此系统评估CBC循环中每一个酶促反应的最大活性对CBC的影响并解析其生化机制是明晰CBC实现高效的基础，进而改良CBC实现高光效育种的关键 (Raines, 2011)。
以此为目标，若通过遗传改造的方法来检测每一个酶不同含量对光合速率影响，其需要构建的遗传材料有13×n×m（n是活性梯度，m 是株系数）个材料，人力物力的投入是巨大的。利用我们课题组构建的光合作用碳同化代谢系统模型 (Zhu et al., 2007; Zhu et al., 2013)，通过对酶的最大活性进行大范围扰动，模拟了每一个最大活性默认值在0.01-1000倍范围内等比增加对光合作用的影响（图 1）。发现三磷酸甘油酸激酶（PGAK）、果糖-1,6-二磷酸激酶（FBA）、果糖-1,6-二磷酸酶（FBPase）和转酮酶（TK）的催化活性不足时会限制CBC效率，过大时却也会抑制CBC的效率，呈现双相变化（Biphasic response）；而对于该循环中其他的酶，光合速率会随着其活性增加先增加，随后进入一个平台期而不是呈现光合速率下降，呈现单相变化（Monophasic response）。在实际的改良过程中，过表达叶绿体中的FBA或者FBPase分别增加了FBA和FBPase在叶片中的活性，同时在一定程度上促进了C3植物的光合和生物量，然而FBA活性增幅越大，其对光合作用和生物量的促进作用越小(Tamoi et al., 2006; Uematsu et al., 2012; Simkin et al., 2017)；降低或者过表达TK均抑制了烟草光合和生长(Henkes et al., 2001)；在过表达叶绿体中的FBPase严重抑制了衣藻的生长和分裂速度(Dejtisakdi and Miller, 2016)。这些遗传材料的光合和生长特征证明了模型预测的结果：CBC中具有可以导致双相变化的酶促反应。
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图1. CBC中酶活性对光合CO2同化速率的影响。
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图2. CBC中的高效稳态维持的关键代谢抑制作用。
利用模型进一步对其机制分析发现，CBC是一个复杂网络，多个反应过程需要消耗同一种底物，以为后续的反应提供底物，从而形成多个子环。三磷酸甘油酸激酶（PGAK）与核酮糖-5-磷酸激酶（PRK）共同消耗ATP；果糖-1,6-二磷酸激酶（FBA）、果糖-1,6-二磷酸酶（FBPase）和转酮酶（TK）均消耗丙糖磷酸（TP）。其中的任何一个酶催化反应过大导致ATP和TP在某一个子环中过度消耗，从而导致其他子环中需要这些共同底物的反应受到抑制，最终导致整个CBC效率受到抑制。因此，为了实现CBC的高效，即使在不考虑氮等资源限制的条件下，这些酶的较优活性也只能维持在一定的范围内。然而CBC存在于多个物种中，是一个高度保守的高效运转循环， 同时也是一个受到高度调控的代谢网络。考虑到FBA、FBPase、TK和PGAK的活性变异非常大，自然界中CBC 如何保证这些酶活性在复杂环境中时，都实现代谢物的消耗在多个子循环之间具有自协调能力，最终实现该循环在不同条件下的相对高效呢？赵洪龙等研究发现，在酶促反应的13个代谢物抑制过程中，有两个产物通过负反馈调控协调共同代谢物在不同子循环上的分布，从而实现在不同环境下CBC高效内稳态（图 2）。这两个调控机制分别是果糖-6-磷酸对FBPase的产物抑制抑制作用和ADP对PGAK的产物抑制作用。
该研究为基于卡尔循环效率优化的植物高光效改良提供了理论依据，该理论同样适用于其他多子循环的生物学网络，因此可用于指导合成生物学代谢通路高效的设计。
中国科学院分子植物科学卓越创新中心植物分子遗传国家重点实验室朱新广组 赵洪龙博士为该论文第一作者， 朱新广研究员为该论文通讯作者。该项研究得到了中国科学院先导专项、国家自然科学基金、科技部合成生物学重点研发项目及盖茨基金会（RIPE）的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diaa009
Dejtisakdi W, Miller SM (2016) Overexpression of Calvin cycle enzyme fructose 1,6-bisphosphatase in Chlamydomonas reinhardtii has a detrimental effect on growth. Algal Research 14: 116-126
Henkes S, Sonnewald U, Badur R, Flachmann R, Stitt M (2001) A small decrease of plastid transketolase activity in antisense tobacco transformants has dramatic effects on photosynthesis and phenylpropanoid metabolism. Plant Cell 13: 535-551
Miyagawa Y, Tamoi M, Shigeoka S (2001) Overexpression of a cyanobacterial fructose-1,6-/sedoheptulose-1,7-bisphosphatase in tobacco enhances photosynthesis and growth. Nat Biotech 19: 965-969
Raines CA (2011) Increasing Photosynthetic Carbon Assimilation in C3 Plants to Improve Crop Yield: Current and Future Strategies. Plant Physiology 155: 36-42
Simkin AJ, Lopez-Calcagno PE, Davey PA, Headland LR, Lawson T, Timm S, Bauwe H, Raines CA (2017) Simultaneous stimulation of sedoheptulose 1,7-bisphosphatase, fructose 1,6-bisphophate aldolase and the photorespiratory glycine decarboxylase-H protein increases CO2 assimilation, vegetative biomass and seed yield in Arabidopsis. Plant Biotechnology Journal 15: 805-816
Tamoi M, Nagaoka M, Miyagawa Y, Shigeoka S (2006) Contribution of fructose-1,6-bisphosphatase and sedoheptulose-1,7-bisphosphatase to the photosynthetic rate and carbon flow in the Calvin cycle in transgenic plants. Plant Cell Physiol 47: 380-390
Uematsu K, Suzuki N, Iwamae T, Inui M, Yukawa H (2012) Increased fructose 1,6-bisphosphate aldolase in plastids enhances growth and photosynthesis of tobacco plants. Journal of Experimental Botany 63: 3001-3009
Zhao H, Tang Q, Chang T, Xiao Y, Zhu X-G (2020) Why does an increase in activity of an enzyme in the Calvin Benson Cycle not always lead to an increased photosynthetic CO2 uptake rate? – A theoretical analysis. in silico Plants
Zhu XG, de Sturler E, Long SP (2007) Optimizing the distribution of resources between enzymes of carbon metabolism can dramatically increase photosynthetic rate: a numerical simulation using an evolutionary algorithm. Plant Physiol 145: 513-526
Zhu XG, Wang Y, Ort DR, Long SP (2013) e-Photosynthesis: a comprehensive dynamic mechanistic model of C3 photosynthesis: from light capture to sucrose synthesis. Plant Cell Environ 36: 1711-1727返回搜狐，查看更多