植物通过光合作用将阳光转化为能量;然而，地球上的大多数作物都受到光合作用的干扰的困扰，为了解决这个问题，进化出了一种称为光呼吸的能量昂贵的过程，大大抑制了它们的产量潜力。伊利诺伊大学和美国农业部农业研究局的研究人员在“科学”杂志上报道说，用光呼吸快捷方式设计的作物在现实世界农艺条件下的产量提高了40%。

伊利诺伊州Carl R. Woese基因组研究所的Robert Emerson植物科学和作物科学教授Donald Ort说：“我们每年可以为美国中西部地区的光呼吸所消耗的卡路里增加2亿人。”生物学。“在人口增长和更富裕的高热量饮食的推动下，在世界范围内回收这些卡路里中的一部分将大大有助于满足21世纪迅速扩大的食品需求。”

这项具有里程碑意义的研究是实现提高光合效率(RIPE)的一部分，这是一项国际研究项目，该项目旨在通过比尔和梅林达盖茨基金会，食品和农业研究基金会的支持，更有效地进行光合作用，以可持续地提高全球粮食生产力( FFAR)和英国政府的国际发展部(DFID)。

光合作用使用Rubisco(地球上最丰富的蛋白质)和阳光能量将二氧化碳和水转化为糖，从而促进植物生长和产量。几千年来，Rubisco已经成为自身成功的牺牲品，营造出富含氧气的氛围。无法可靠地区分这两种分子，Rubisco在大约20%的时间内捕获氧气而不是二氧化碳，导致植物毒性化合物必须通过光呼吸过程再循环。

“光呼吸是抗光合作用，”主要作者Paul South说，他是农业研究服务的研究分子生物学家，他在伊利诺伊州的RIPE项目上工作。“它花费了宝贵的能源和资源，它可以投资于光合作用，以产生更多的生长和产量。”

光呼吸通常需要通过植物细胞中的三个隔室的复杂途径。科学家设计了替代途径来改变这一过程，大大缩短了行程，节省了足够的资源，使植物生长增加了40%。这是第一次在真实的农艺条件下测试工程光呼吸固定装置。

“就像巴拿马运河是提高贸易效率的工程壮举一样，这些光吸收捷径是植物工程的一项壮举，它证明了一种极大的方法可以大大提高光合作用的效率，”RIPE主任Stephen Long说道，Ikenberry Endowed伊利诺伊州作物科学和植物生物学大学主席。

该团队设计了三条替代路线来取代迂回的原生路径。为了优化新途径，他们使用不同的启动子和基因设计基因构建体，基本上创建了一套独特的路线图。他们对1,700家工厂的这些路线图进行了压力测试，以击败表现最佳的工厂。

经过两年多的重复实地研究，他们发现这些工程植物发育得更快，长得更高，生产的生物量增加了约40%，其中大部分都发现在50%以上的茎中。

该团队测试了他们在烟草中的假设：一种理想的作物研究模型植物，因为它比食物作物更容易修改和测试，但与其他植物模型不同，它开发了一种叶冠，可以在田间进行测试。现在，该团队正在翻译这些研究结果，以提高大豆，豇豆，大米，马铃薯，番茄和茄子的产量。

“Rubisco在从氧气中吸收二氧化碳时更加困难，因为它变得更热，导致更多的光呼吸，”共同作者，伊利诺斯州研究员，负责RIPE项目的博士后研究员Amanda Cavanagh说。“我们的目标是建立能够在今天和未来吸收热量的更好的植物，帮助农民获得养活世界所需的技术。”

虽然这项技术可能需要十多年的时间才能转化为粮食作物并获得监管部门的批准，但RIPE及其赞助商致力于确保小农，特别是撒哈拉以南非洲和东南亚的小农户免费享受免税获得项目的所有突破。