如何讓C4植物增產？

看到這個題目，有些讀者應該會想：嗄？C4植物本來產量就比較高了，為什麼還要增產呢？

事實上，雖然C4植物本來產量就比較高，但是根據聯合國的預測， 2050 年全球糧食需求將增加 60%。因此，在不擴張耕地的情況下，提升作物生產力是必需的。

雖然大部分的農作物是C3植物，但是還是有幾種C4農作物（如玉米、高粱、甘蔗）佔全球農業生產的重要比例。其中的甘蔗更是全球產量第一的農作物呢！因此，如果C4農作物的產量也能提升，當然是更好啦！

要怎麼做呢？

過去認為，因為擁有 CO₂ 濃縮機制， 所以C4 作物的光合作用不受 CO₂ 濃度變化影響。但是，隨著大氣 CO₂ 持續升高，研究發現 Rubisco 可能已成為 C4 作物光合作用的主要限制因子。

為何大氣 CO₂ 濃度升高會使得 Rubisco成為限制C4植物光合作用的主要因子呢？

Rubisco（Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase）是所有光合植物中負責固定 CO₂ 的酵素，但它的活性受環境 CO₂ 濃度與O₂的影響。

過去的研究讓我們瞭解，C4 植物（如玉米、高粱、甘蔗）透過磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC） 來固定 CO₂，形成蘋果酸（malate）或天門冬胺酸（aspartate），然後將 CO₂ 運送至髓鞘細胞（bundle sheath cells） 內。

如此一來，植物可以在 Rubisco 周圍維持高 CO₂ / 低 O₂ 的環境，降低光呼吸作用（photorespiration） 所導致的損失，提高光合作用效率。那就是為什麼，C4植物可以在溫度上升時仍維持高產的緣故。

但是，這是在過去40,000 年間， CO₂ 濃度較低（平均 220 μmol mol⁻¹）的時候。當CO₂ 濃度較低時，因為 CO₂ 供應量較低，而 PEPC 負責第一步的 CO₂ 固定，所以Rubisco 主要受到 PEPC 限制。

可是，當前大氣的 CO₂ 濃度已達到 428 μmol mol⁻¹，比工業革命前（280 μmol mol⁻¹）高出 50% 以上。研究發現，C4 植物的光合作用速率（Aₛₐₜ）隨 CO₂ 濃度上升到 120~150 μmol mol⁻¹ 後便趨於飽和，因此，就算大氣中 CO₂ 濃度更進一步提升，也無法再提升 C4 植物的光合作用效率。也就是說，目前大氣中 CO₂ 的濃度已經使得髓鞘細胞內充滿了 CO₂，在這樣的狀況下，光合作用的速率就不再受到 PEPC 限制，Rubisco 反而成為新的限制因子。

讓我說得簡單一點：原本 CO₂濃度低的時候，因為PEPC要先把 CO₂抓下來再傳給Rubisco才能進行碳反應，所以那時候光合作用的效率主要是由PEPC的效率來決定；但是現在 CO₂加倍了，造成Rubisco不需要非要有PEPC幫忙，自己也可以抓到 CO₂；這就讓Rubisco成為拖慢大家的主因了。

這就像本來電影院觀眾進場的速度是因為售票口不夠多，造成售票口大排長龍；結果老闆加開售票口賣票，但是因為剪票口還是只有那麼幾個，所以顧客雖然不用排隊買票，卻還是要排隊剪票才能進場。

那麼，如果增開剪票口（提升 Rubisco 含量）的話，能不能提高光合作用與作物產量呢？

最近的研究發現：可以的！

研究團隊透過在高粱（Sorghum bicolor） 和甘蔗（Saccharum hybrids） 進行基因改造，讓Rubisco的含量提高，來達成增產的目的。

高粱與甘蔗。圖片作者：ChatGPT

為了提高Rubisco含量，他們在高粱與甘蔗中高度表現 Rubisco 小次單元（RbcS） 與 Rubisco 積聚因子 1（Raf1）。為什麼要表現Raf1呢？Raf1是什麼？

Raf1（Rubisco accumulation factor 1） 是一種 Rubisco 積聚因子（Rubisco assembly chaperone），對Rubisco（核酮糖-1,5-雙磷酸羧化酶/加氧酶）的生物合成與組裝過程非常重要。

Rubisco 是植物光合作用中負責固定 CO₂ 的酵素，由 8 個大次單元（LS, Large Subunit）+ 8 個小次單元（SS, Small Subunit） 組成。因為構造如此複雜，所以它的組裝需要多種伴護蛋白（chaperones）的協助，而 Raf1 正是其中之一，協助 Rubisco 的大次單元（LS）與小次單元（SS）的聚合與正確裝配。在沒有 Raf1 的情況下，即使有足夠的小次單元（SS），Rubisco 仍無法有效組裝，導致酵素活性降低。

有鑑於此，於是研究團隊覺得，要提高Rubisco的量，僅僅提升 Rubisco 小次單元（RbcS） 的量一定是不夠的。因為如果沒有足夠的 Raf1，Rubisco 就無法有效組裝，那麼即使有更多的小次單元也無法發揮作用。

因此，研究團隊不只是高度表現小次單元，同時也高度表現Raf1。在高粱中，他們使用了可在全葉片表現的啟動子（constitutive promoters）；而在甘蔗，他們使用了只在髓鞘細胞特異性表現啟動子（bundle sheath-specific promoters）。

為什麼在高粱裡面不用髓鞘細胞特異性表現啟動子呢？這是因為，在高粱中，雖然大部分的Rubisco 位於髓鞘細胞，但研究團隊發現有少量 Rubisco 仍可在葉肉細胞（mesophyll cells）中表現，特別是在高溫或乾旱的環境壓力下尤其如此。因此，研究團隊認為，在高粱使用全葉片表現啟動子，能夠同時在髓鞘細胞與部分葉肉細胞內提升 Rubisco 含量，提高光合作用效率。

與高粱相比，甘蔗的 Rubisco 幾乎完全局限於髓鞘細胞，葉肉細胞中幾乎沒有 Rubisco 活性。如果使用與高粱一樣的全葉片表現啟動子，會造成甘蔗在葉肉細胞內表現過多的小次單元與Raf1，這樣可能會影響 C4 途徑的正常運行。因此，研究團隊對甘蔗選擇使用髓鞘細胞特異性表現啟動子（bundle sheath-specific promoters）。

實驗結果發現，透過上述的作法來增加Rubisco 含量，可使高粱的產量提高 13%～25%、甘蔗則可高達 90%。另外，光合作用（Aₛₐₜ）提高 12%～15%，Rubisco 活性（Vₐₘₐₓ）提高 約 40%。

不過，在田間試驗時發現，雖然高粱生物量增加了15.5%，卻沒有反映在種子產量上！為什麼會這樣呢？研究團隊認為可能與穀粒灌漿受限有關。而甘蔗的溫室試驗結果，也發現生物量提高了 37%～81%（依品系而定），植株長得更高、更粗壯，葉片數量也增加了。

所以，過去認為 C4 植物在 CO₂ 上升時產量不會上升，但在領悟到 Rubisco 在 CO₂ 上升後成為限制因子時，便意識到C4 植物的產量仍有提升空間。

因此，未來 C4 作物改良可能需要更多關注 Rubisco 調控機制，例如增強 RbcS 表現、調控 Rubisco 合成相關因子（如 Rubisco activase, RAF1等）。另外，高粱的生物量增加但穀粒產量未提升的現象，也提醒了我們也應該要研究如何微調植物的碳分配，以提升穀物產量。

這項研究為提高 C4 作物生產力提供了新策略，特別是在全球 CO₂ 濃度上升的趨勢下，如何最佳化光合作用效率與生物量累積，是非常重要的課題。

參考文獻：

Salesse-Smith CE, Adar N, Kannan B, Nguyen T, Wei W, Guo M, Ge Z, Altpeter F, Clemente TE, Long SP. Adapting C4 photosynthesis to atmospheric change and increasing productivity by elevating Rubisco content in sorghum and sugarcane. Proc Natl Acad Sci U S A. 2025 Feb 25;122(8):e2419943122. doi: 10.1073/pnas.2419943122. Epub 2025 Feb 11. PMID: 39932987.