DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.10.033
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41308618
تاريخ النشر: 2025-11-01
المؤلف: Stephen P. Long وآخرون
الموضوع الرئيسي: العمليات والآليات التمثيلية الضوئية
نظرة عامة
تسلط هذه القسم الضوء على الحاجة الملحة لتعزيز إنتاجية المحاصيل لمكافحة انعدام الأمن الغذائي وتعزيز الاستدامة، مع التأكيد على دور التمثيل الضوئي كعملية أساسية لتحويل ضوء الشمس إلى كربوهيدرات، والتي تعتبر ضرورية لتوفير الغذاء للإنسان. على الرغم من أهميته، يتميز التمثيل الضوئي بكفاءته الفطرية المنخفضة، مما يجعله هدفًا رئيسيًا للتحسين من خلال الهندسة الحيوية.
أظهرت التقدمات الحديثة على مدار العقد الماضي استراتيجيات ناجحة لتعزيز كفاءة التمثيل الضوئي، مما أدى إلى زيادة غلة المحاصيل في التجارب الميدانية. تتراوح هذه الاستراتيجيات من أساليب بسيطة، مثل زيادة مستويات البروتينات الخاصة بالتمثيل الضوئي، إلى طرق أكثر تعقيدًا مثل تجاوز التنفس الضوئي. على الرغم من أن دمج آليات تركيز الكربون في النباتات C3 يمثل تحديات هندسية كبيرة، تشير دراسات النمذجة إلى أن مثل هذه التقدمات يمكن أن تحقق فوائد كبيرة لتحسين المحاصيل. تلخص المراجعة هذه الإنجازات وتقيّم الأهداف الهندسية المستقبلية المحتملة التي تهدف إلى زيادة إنتاجية المحاصيل بشكل أكبر.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على أزمة غذائية عالمية كبيرة، حيث يواجه حوالي 8.2% من السكان، أو 700 مليون شخص، الجوع في عام 2024. تتفاقم هذه الأزمة بفجوة متزايدة بين إنتاج المحاصيل والطلب، مما يتطلب زيادة متوقعة تتراوح بين 35%-56% في غلة المحاصيل بحلول عام 2050. على الرغم من التقدمات في تربية النباتات والزراعة التي حسنت تاريخيًا غلة المحاصيل، فإن التحديات المستمرة التي تفرضها تغيرات المناخ وزيادة ضغوط الآفات تتطلب أساليب مبتكرة لتلبية الطلبات الغذائية المستقبلية.
تركز الورقة بشكل رئيسي على إمكانية تعزيز التمثيل الضوئي كوسيلة لسد الفجوة في إمدادات النظام الغذائي العالمي. يؤكد المؤلفون أن كفاءة التمثيل الضوئي في المحاصيل الحالية أقل بكثير من الحد الأقصى النظري، مما يشير إلى وجود مجال كبير للتحسين. يميزون بين مسارات التمثيل الضوئي C3 وC4، مشيرين إلى أنه بينما تكون المحاصيل C4، مثل الذرة وقصب السكر، أكثر إنتاجية عمومًا، فإن كلا المسارين يوفران فرصًا للتحسين. تعكس الورقة أيضًا التقدم الذي تم إحرازه على مدار العقد الماضي في الهندسة الحيوية لكفاءة التمثيل الضوئي، والتي تجاوزت التوقعات السابقة. لقد سهلت التقدمات في التقنيات الجينية، بما في ذلك تحرير الحمض النووي والتصنيف الفينوتي، هذه التحسينات، مما أدى إلى تطورات واعدة في إنتاجية المحاصيل التي يهدف المؤلفون إلى مراجعتها وتحليلها.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على الدور الحاسم لبروتين Rubisco في التمثيل الضوئي للنباتات والتحديات المرتبطة بكفاءته. على الرغم من أن Rubisco هو البروتين الأكثر وفرة في الأوراق، إلا أنه غالبًا ما يحد من التمثيل الضوئي المشبع بالضوء بسبب وظيفته المزدوجة ككربوكسيلاز وأوكسيلاز، مما يؤدي إلى خسائر في التنفس الضوئي. للتخفيف من هذه الخسائر، تطورت النباتات Rubisco بملاءمة أعلى لـ CO2، على الرغم من أن هذا التكيف يبطئ التحفيز. تؤكد الورقة أن زيادة محتوى Rubisco يمكن أن تعزز التمثيل الضوئي وغلة المحاصيل، كما يتضح من الأساليب الناجحة في النباتات المعدلة وراثيًا مثل الأرز C3 والدخن C4. بالإضافة إلى ذلك، أظهر جين BOOSTER (BSTR) وعدًا في تعزيز تعبير Rubisco وإنتاجية النبات بشكل عام.
تناقش القسم أيضًا هندسة Rubisco وRca (منشط Rubisco) لتحسين كفاءة التمثيل الضوئي. بينما فشلت المحاولات لهندسة Rubisco بشكل عقلاني إلى حد كبير، فإن التطور الموجه والطفرات العشوائية قد أسفرت عن متغيرات واعدة. يتم الإشارة إلى أهمية الشوارد الجزيئية في الحفاظ على وظيفة Rubisco، حيث إنها ضرورية للتجميع الصحيح للإنزيم. علاوة على ذلك، فإن تعزيز نشاط Rca أمر حاسم لتحقيق أقصى فعالية لـ Rubisco، خاصة تحت ظروف الضوء المتغيرة وضغط الحرارة. تقدم التقدمات الحديثة في تصميم البروتينات المعتمد على الذكاء الاصطناعي وأنظمة الاختيار عالية الإنتاجية فرصًا جديدة لهندسة متغيرات Rubisco وRca أكثر كفاءة. تختتم الورقة باستكشاف مسارات وآليات بديلة، مثل الكربوكسيومات وآليات تركيز الكربون (CCMs)، والتي يمكن أن تعزز بشكل أكبر تثبيت CO2 وتقليل التنفس الضوئي، مما يحسن في النهاية مرونة المحاصيل وإنتاجيتها في مواجهة تغير المناخ.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.10.033
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41308618
Publication Date: 2025-11-01
Author(s): Stephen P. Long et al.
Primary Topic: Photosynthetic Processes and Mechanisms
Overview
The section highlights the critical need to enhance crop productivity to combat food insecurity and promote sustainability, emphasizing the role of photosynthesis as the primary process converting sunlight into carbohydrates, which are essential for human food supply. Despite its importance, photosynthesis is characterized by inherent inefficiencies, making it a prime target for improvement through bioengineering.
Recent advancements over the past decade have demonstrated successful strategies to enhance photosynthetic efficiency, leading to increased crop yields in field trials. These strategies range from straightforward approaches, such as augmenting the levels of photosynthetic proteins, to more complex methods like circumventing photorespiration. Although the integration of carbon-concentrating mechanisms into C3 plants presents significant engineering challenges, modeling studies indicate that such advancements could yield substantial benefits for crop improvement. The review summarizes these achievements and assesses the potential future engineering targets aimed at further increasing crop productivity.
Introduction
The introduction of the research paper highlights a significant global food crisis, with approximately 8.2% of the population, or 700 million people, facing hunger in 2024. This crisis is exacerbated by a widening gap between crop production and demand, necessitating a projected increase of 35%-56% in crop yields by 2050. Despite advancements in plant breeding and agronomy that have historically improved crop yields, the ongoing challenges posed by climate change and increased pest pressures necessitate innovative approaches to meet future food demands.
A key focus of the paper is the potential of enhancing photosynthesis as a means to bridge the supply gap in the global food system. The authors emphasize that the efficiency of photosynthesis in current crops is significantly below its theoretical maximum, indicating substantial room for improvement. They differentiate between C3 and C4 photosynthetic pathways, noting that while C4 crops, such as maize and sugarcane, are generally more productive, both pathways present opportunities for enhancement. The paper also reflects on the progress made over the past decade in bioengineering photosynthetic efficiency, which has surpassed previous expectations. Advances in genetic technologies, including DNA editing and high-throughput phenotyping, have facilitated these improvements, leading to promising developments in crop productivity that the authors aim to review and analyze.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the critical role of Rubisco in plant photosynthesis and the challenges associated with its efficiency. Rubisco, despite being the most abundant protein in leaves, often limits light-saturated photosynthesis due to its dual function as a carboxylase and oxygenase, leading to photorespiratory losses. To mitigate these losses, plants have evolved Rubisco with a higher affinity for CO2, although this adaptation slows catalysis. The paper emphasizes that increasing Rubisco content could enhance photosynthesis and crop yield, as demonstrated by successful transgenic approaches in C3 rice and C4 sorghum. Additionally, the BOOSTER (BSTR) gene has shown promise in enhancing Rubisco expression and overall plant productivity.
The section further discusses the engineering of Rubisco and its activase (Rca) to improve photosynthetic efficiency. While attempts to rationally engineer Rubisco have largely failed, directed evolution and random mutagenesis have yielded promising variants. The importance of molecular chaperones in maintaining Rubisco functionality is noted, as they are essential for proper enzyme assembly. Moreover, enhancing Rca activity is crucial for maximizing Rubisco’s effectiveness, particularly under variable light conditions and heat stress. Recent advancements in AI-based protein design and high-throughput selection systems present new opportunities for engineering more efficient Rubisco and Rca variants. The paper concludes by exploring alternative pathways and mechanisms, such as carboxysomes and carbon-concentrating mechanisms (CCMs), which could further enhance CO2 fixation and reduce photorespiration, ultimately improving crop resilience and productivity in the face of climate change.