原文以Dual-cycle CO₂ fixation enhances growth and lipid synthesis in Arabidopsis Thaliana为标题发表在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，碳损失一直是限制生长与产量的关键瓶颈。近期科学家们设计出一种创新的“malyl-CoA-glycerate（McG）循环”，能够显著提升植物的碳利用效率、脂质产量和整体生长。

McG循环：让每个碳都物尽其用
在传统卡尔文循环中，固定碳原子生成乙酰辅酶A（acetyl-CoA）用于脂质和植物激素合成时，会损失一个碳，同时光呼吸还会将乙醇酸氧化为CO₂，造成额外碳浪费。

McG循环的出现解决了这一难题。它可以将乙醇酸或3-磷酸甘油酸（3PG）直接转化为乙酰-CoA，提高碳利用效率，同时避免光呼吸造成的损失。当以3PG为底物时，还能额外固定一个碳生成两个乙酰-CoA。关键酶PPC使用碳酸氢盐作为底物，不与RuBisCO竞争叶绿体中的CO₂，从而进一步提升乙酰-CoA生成效率。

McG植物表现出显著生长优势
在拟南芥中，McG转基因植物与野生型相比显示出多项优势：

• 生物量增加2–3倍，叶片数量和面积显著提升
• 
  角果与种子产量提升，叶片和种子脂质含量增加
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  净碳同化率几乎翻倍
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  光系统II效率提升，光系统I/II、细胞色素b6/f、电子传递链及F型ATP合酶蛋白含量明显增加
• 细胞分裂素水平升高，顶端分生组织（SAM）增大，叶原基数量增加，整体生长得到促进

这些变化显示，McG循环不仅优化了碳利用，还通过增加乙酰-CoA和细胞分裂素形成正向反馈循环，进一步增强光合作用能力和植物生长。

C2为核心的双循环碳固定系统（McG循环）研究者在拟南芥叶绿体中引入了 McG循环（蓝色），与植物原有的 CBB循环（黑色） 协同工作。

• 目的：更高效地合成 乙酰辅酶A（acetyl-CoA），同时绕过光呼吸造成的碳损失。

• 结果：McG转基因植株生长更大，种子和脂质产量显著提高，形成正向反馈循环，进一步增强生长潜力。

  注：图由 BioRender.com 制作。

实验如何验证？LI-6800全程守护
为了准确测量McG植物的光合表现，科学家们使用了LI-6800便携式光合荧光测量系统，它能够同时测定净碳同化速率（A）、蒸腾速率（E）、实际光化学量子效率（ϕPSII）、叶片温度及空气温湿度等多项参数，实现高精度、实时且可重复的测量。

LI-6800便携式光合荧光测量系统

样品与测定流程

1. 样品准备：选择4–5周龄植物特定叶片进行测量

2. 单叶净碳同化（A）测定：
   叶片固定在2cm²叶室中，光强根据实验需求调节，
   CO₂浓度由1500降至50μmol mol⁻¹，测定A/Ci曲线和光响应曲线
3. 水分利用效率（WUE）计算：A / E
4. 整株莲座叶测定：结合ImageJ软件测定叶面积，绘制CO₂响应和光响应曲线
5. PSII量子效率（ϕPSII）测定：光强1500–25μmol m⁻² s⁻¹，CO₂条件400或1500 ppm
6. Ci*及白天呼吸测定：采用斜率截距法，光强50–200μmol m⁻² s⁻¹

总结
McG循环实现了高效、低能耗的乙酰-CoA生成，无碳损失，为植物提供更多代谢物原料，同时提升光合作用效率和生长表现。这一创新的“C2为核心”碳利用策略，为未来高产、可持续农业提供了全新思路。