院長廖俊智親自領軍 中研院首創「雙固碳系統」 登國際頂尖期刊

中研院研究團隊研究「雙固碳系統」，登上國際頂尖期刊science。圖爲廖俊智院長（前排左三）、唐堂副院長（前排左二）及研究團隊。圖／中研院提供

植物光合作用所吸收的碳，佔地表吸碳量的絕大部份，然而植物固碳的效率仍有很大的改善空間，如何更有效率地「固碳」，是當前國際科學界關切的課題。中研院研究團隊，近期以合成生物學方式設計人工固碳系統，並首度創造自然界未曾有的「二碳」(C2)植物，使固碳效率提升達50%，生長速度與油脂合成量更突破極限，爲未來減碳、增進能源與糧食安全開啓新方向。此一研究成果9月發表於國際頂尖期刊《科學(Science)》。

此一團隊由中研院院長廖俊智領導的研究團隊，結合中研院生物化學研究所、農業生物科技研究中心、植物暨微生物學研究所，組成跨領域團隊合作挑戰關鍵議題。

廖俊智表示，植物光合作用所吸收的碳是人爲碳排放量的10至20倍。但光合作用進行的同時，也會釋放二氧化碳，稱爲「光呼吸作用」。此外，在植物合成油脂類化合物時，又會排出二氧化碳。此兩機制導致固碳效率降低。早在十多年前於美國從事研究時，便關注如何因應此兩大挑戰。

爲突破此兩項瓶頸，研究團隊精心設計人工固碳「McG循環」，並陸續在細菌、光合菌中試驗成功。團隊再進一步將McG循環應用於植物中，以阿拉伯芥進行實驗，與既有的「卡爾文循環」協同運作，構建出嶄新的「雙固碳系統」。成果超乎預期，成爲自然界未曾演化出的新型固碳系統。

廖俊智表示，自然界演化出兩種機制來減輕一般「三碳」(C3)植物光呼吸作用的負面效應。一種是將三碳植物演化成「四碳」(C4)植物，如玉米、甘蔗、狼尾草等，另一種是所謂CAM植物，如仙人掌、鳳梨、蘭花、火龍果等。此次中研院團隊創造出第三種機制，將三碳植物轉成「二碳」(C2)植物，並發現效果遠比預期好。不但固碳效率大幅提升、生長速度更快，且生產大量油脂，生長量增加2至3倍。若後續研發成功，或可爲未來永續航空燃油甚至其他化學品提供可能料源。

此項成果爲基礎科學的重大突破。但廖俊智強調，目前尚無法立即解決全球碳排放與糧食安全的問題，欲實際應用仍有多項研究問題須解決，如性狀穩定性，對環境的影響，如何以基因編輯取代基因轉殖技術，及如何在經濟作物中複製此成功經驗等。

共同作者、植微所特聘研究員吳素幸表示，此研究顯示合成生物學可以提供嶄新的視角，以研究植物生長調控的機制。另一共同作者、農生中心主任葉國楨表示，已整合院內專家，持續投入此方向的研究，期待能將此概念導入經濟作物，如稻米、蕃茄、蘭花等。

中研院研究團隊研究「雙固碳系統」，運用儀器測量植物的碳含量。圖／中研院提供

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