Kuan-Jen Lu, Chia-Wei Hsu, Wann-Neng Jane, Mien-Hao Peng, Ya-Wen Chou,
Pin-Hsuan Huang, Kuo-Chen Yeh, Shu-Hsing Wu, and James C. Liao
Science, Volume 389, Issue 6765, Sep 2025

中央研究院院長暨生物化學研究所 廖俊智特聘研究員

如何從大氣中吸收CO₂轉為有價資源，為科學界重大的挑戰。光合作用每年可自大氣中吸收的CO₂為人類排放量的20倍左右。 大氣中CO₂吸收，主要經由 Calvin–Benson–Bassham (CBB) 循環生成三碳（C₃）化合物，但在產生乙醯輔酶 A（acetyl–coenzyme A，C₂）又流失一個碳原子至CO₂，而乙醯輔酶 A 是合成脂質的前驅物。此外CBB循環中的主要酵素， RuBisCO, 無法有效區分氧跟CO₂，而同時驅動固碳反應及氧化反應。後者產生無法利用的乙醇酸（glycolate），終而導致所謂光呼吸作用。

在RuBisCO演化產生之前，地球大氣主要是CO₂，當時的固碳作用由五六種循環主導，由 C1→C2→C3 。然而這些循環中的酵素在有氧環境下不穩定。所以自然界演化出在有氧環境中相對穩定的RuBisCO，然而所付出的代價為前述光呼吸作用，及無法直接產生C2(如乙醯輔酶 A)，而在C3→C2過程中又失去了1/3的碳。

在本研究中，我們設計了一個自然界所未有的新型 CO₂ 固碳循環—malyl-CoA–glycerate（McG）循環並導入阿拉伯芥中。此循環與 CBB 循環結合，形成一個雙循環 CO₂ 固碳系統。McG 循環可透過磷酸烯醇丙酮酸羧化酶固定額外一個碳，並將光呼吸產物—乙醇酸—轉化為乙醯輔酶 A。

結果發現，帶有 McG 循環的植物，其光系統中蛋白質含量提高，且光系統 II 的效率增強。在大氣濃度 CO₂ 下，這些 McG 植株的 CO₂ 固定速率提高了一倍，脂質產量增加，生長明顯加快，種子產量更提高了三倍。

此類新型二碳植物，若可成功建構在其他作物上，則可大量增加作物的產量，除對糧食供應有助之外，更可生產可觀的油脂類，至少部分取代石油的使用。