Increasing Rubisco as a simple means to enhance photosynthesis and productivity now without lowering nitrogen use efficiency

鲁比斯科 光合作用 生产力 农学 光合效率 作物 作物生产力 环境科学 氮气循环 天蓬 作物产量 生物 氮气 植物 化学 宏观经济学 经济 有机化学
作者
Coralie E. Salesse‐Smith,Yu Wang,Stephen P. Long
出处
期刊:New Phytologist [Wiley]
标识
DOI:10.1111/nph.20298
摘要

Summary Global demand for food may rise by 60% mid‐century. A central challenge is to meet this need using less land in a changing climate. Nearly all crop carbon is assimilated through Rubisco, which is catalytically slow, reactive with oxygen, and a major component of leaf nitrogen. Developing more efficient forms of Rubisco, or engineering CO 2 concentrating mechanisms into C 3 crops to competitively repress oxygenation, are major endeavors, which could hugely increase photosynthetic productivity (≥ 60%). New technologies are bringing this closer, but improvements remain in the discovery phase and have not been reduced to practice. A simpler shorter‐term strategy that could fill this time gap, but with smaller productivity increases ( c . 10%) is to increase leaf Rubisco content. This has been demonstrated in initial field trials, improving the productivity of C 3 and C 4 crops. Combining three‐dimensional leaf canopies with metabolic models infers that a 20% increase in Rubisco increases canopy photosynthesis by 14% in sugarcane (C 4 ) and 9% in soybean (C 3 ). This is consistent with observed productivity increases in rice, maize, sorghum and sugarcane. Upregulation of Rubisco is calculated not to require more nitrogen per unit yield and although achieved transgenically to date, might be achieved using gene editing to produce transgene‐free gain of function mutations or using breeding.
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