中研院首創「雙循環固碳系統」提升植物碳固定與脂質合成效率

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科技產業資訊室(iKnow) - 廖雅韻發表於 2025年9月18日

圖、中研院首創「雙循環固碳系統」提升植物碳固定與脂質合成效率

由中央研究院廖俊智院長所領導的研究團隊，成功開發出「雙循環固碳系統」（Dual-cycle CO₂ fixation system）的人工設計，應用於模式植物阿拉伯芥（Arabidopsis thaliana）中，展現出C2植物在生長、產量與代謝途徑的根本性改變，提高植物的固碳效率、大幅增加生物量與油脂產量，開創了全新的科學路徑，研究成果發表於《Science》期刊。

目前地球上絕大多數植物依靠卡爾文循環（Calvin-Benson-Bassham, CBB）進行CO₂固定。然而，這一機制存在兩大先天性瓶頸。首先，關鍵固碳酶RuBisCO在光合作用時會受到氧氣干擾，進行「加氧作用」，生成對植物無用的副產物乙醇酸（Glycolate）時，植物必須耗費能量將其代謝，過程中最多可將25%的固定碳以CO₂形式釋放回大氣，造成嚴重碳流失。其次，在合成脂質、植物激素等關鍵物質時，所需的前體乙醯輔酶A（Acetyl-CoA）（C2）供應有限，導致脂質產量長期受限。這兩大問題，使得CBB循環的固碳效率難以突破。

為突破CBB的效率瓶頸，研究團隊以合成生物學方法，從多種微生物中篩選並導入六個外源基因，建立人工代謝途徑「蘋果醯輔酶A-甘油酸酯循環」（Malyl-CoA-glycerate, McG）之轉基因植物。包含：自棒狀桿菌屬（Corynebacterium）的磷酸烯醇丙酮酸羧化激酶（PPC）可額外固定碳原子而不與RuBisCO爭奪CO₂；萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）的乙醛酸還原酶（GDH），則能將光呼吸副產物乙醇酸轉化為乙醯輔酶A，實現碳的回收利用；莢膜甲基球菌（Methylococcus capsulatus）的蘋果酸轉換酶（MTK）與malyl-CoA裂解酶（MCL），分別負責將蘋果酸轉為malyl-CoA並分解成乙醯輔酶A和乙醛酸；貪銅鉤蟲菌（Cupriavidus necator）的乙醛酸合成酶（GCL）與大腸桿菌（E. coli）的甘油酸還原酶（TSR），則將乙醛酸轉化並回補為甘油酸，使循環完整。再加上四個阿拉伯芥內源性酵素，蘋果酸去氫酶（MDH）、磷酸甘油酸激酶（PGK）、磷酸甘油酸變位酶（PGAM）和烯醇化酶（ENO）負責合成McG循環的剩餘步驟，最終建構完成McG循環。

這項創新的「雙循環固碳系統」在阿拉伯芥中展現了顯著成效。相較於野生型，McG轉基因植株的乾重與鮮重提升2至3倍，蓮座葉數量增加約40%，葉面積明顯擴大，根系也更為發達。同時，葉片與種子中的脂質含量大幅上升，三酸甘油酯（TAG）在葉片中的累積量比野生型高出約200倍，顯示碳流已由碳水化合物代謝重新導向至高價值的脂質合成。此外，McG轉基因植株的光系統I和II、細胞色素b6/f複合體、電子傳輸鏈和F型ATP合酶的等蛋白質含量均顯著增加，反映光合作用效率的全面提升。進一步分析指出，McG循環所增加的乙醯輔酶A，不僅是油脂合成的基礎，也是細胞分裂素（Cytokinin）的前體；其濃度上升促進細胞分裂並推動莖尖分生組織（SAM）擴大，最終帶來快速且持續的生長。

雙循環固碳系統成功突破傳統CBB循環在碳固定與乙醯輔酶A合成的限制，使固碳效率提升、生物量與脂質累積顯著增加，展現合成生物學超越自然演化的潛力。儘管這項研究是基礎科學的重大突破，廖俊智院長仍強調，目前尚無法立即解決全球碳排放與糧食問題。要將此成功經驗從模式植物轉譯至經濟作物（如稻米、蕃茄），仍需克服性狀穩定性與環境影響評估等多項挑戰。(1172字)

參考資料：
中研院首創二碳植物，提升固碳率登《科學》期刊。TechNews，2025/09/16
中研院首創「雙固碳系統」登《科學》期刊。中央研究院，2025/09/16
Dual-cycle CO₂ fixation enhances growth and lipid synthesis in Arabidopsis thaliana. Science，2025/9/11
把浪費變成資源：中研院團隊如何讓阿拉伯芥把光呼吸副產物轉換成脂肪。Vocus，2025/09/16

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