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什麽是光呼吸
光呼吸（英語：photorespiration）是所有行光合作用的細胞（該處“細胞”包括原核生物和真核生物，但並非所有這些細胞都能運行完整的光呼吸）在光照和高氧低二氧化碳情況下發生的一個生化過程。它是光合作用一個損耗能量的副反應。過程中氧氣被消耗，並且會生成二氧化碳。光呼吸約抵消30%的光合作用。因此降低光呼吸被認為是提高光合作用效能的途徑之一。但是人們後來發現，光呼吸有着很重要的細胞保護作用。
在光呼吸過程中，參與光合作用的一對組合：反應物1,5-二磷酸核酮糖（ribulose-1,5-bisphosphate，簡稱為rubp）和催化劑1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase， 簡稱為rubisco）發生了與其在光合作用中不同的反應。rubp在rubisco的作用下增加兩個氧原子，再經過一係列反應，最終生成3-磷酸甘油酸。後者再經過部分光合作用過程，可再次重新生成為rubp。
換言之，rubisco對rubp有兩種作用，既可將之導入生成能量獲得碳素的光合作用，也能使之進入消耗能量釋放碳素的光呼吸。由此可見，光呼吸和光合作用關係密切，它們之間的關係可以作一形象的理解：糖工廠內（行光合作用細胞，特別是植物）的葡萄糖生産綫（光合作用）因一部機器（1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶）構造不完善，一部分原材料（1,5-二磷酸核酮糖）不斷被錯誤加工，産出次品（2-磷酸乙醇酸），雖然有一補救措施，可將次品重加工並再次投入生産綫，但是整個過程卻是非常費時費力的。這個錯誤加工和補救的過程就是光呼吸。
發生光呼吸的細胞需要三個細胞器的協同作用才能將光呼吸起始階段産生的“次品”“修復”，耗時耗能。這也是早期光呼吸被人們稱作“卡爾文循環中的漏逸”，“rubisco的構造缺陷”的原因。有人提出，在農業上抑製光呼吸能促進植物生長。科學家在基因工程方面做出多種嘗試，試求降低植物的光呼吸，促進植物成長，為世界糧食問題提供一種解决方案。但是後來科學家發現，光呼吸可消除多餘的nadph和atp，減少細胞受損的可能，有其正面意義。又因為光呼吸與大氣中氧氣/二氧化碳比例聯繫非常緊密，科學家甚至認為可以通過控製陸地植物的數量，以控製地球大氣氧氣和二氧化碳的成分比。
一、研究史
光呼吸和光合作用在大氣中存在光照條件下同時進行，加上細胞本身會進行呼吸作用，一般的氣體交換方法難以發現和測定光呼吸。因此光呼吸的發現較晚。1920年，德國的奧托·瓦布（otto warburg）發現光合速率會因為氧分壓的升高而降低，後來這現象就被命名為瓦布效應。而約翰·德柯爾（john decker）在1955年偶然通過實驗，觀察到煙草葉在光照突然停止之後釋放出大量的二氧化碳。他當時稱之為“二氧化碳的猝發”，並認為這是在光照條件下發生的“呼吸”。光呼吸有此得名。60年代初，科學家應用紅外co2分析儀和同位素示蹤技術更深入地瞭解了光呼吸。1972年，由愛德華·托爾伯特（nathan edward tolbert）正式闡明光呼吸機製。但是該過程中所涉及的酶經過了很長一段時間纔得到識別，但人們對於中間産物在各細胞器中的轉運和光呼吸的調節，則所知甚少。
二、概念辨析
“光呼吸”中含有“呼吸”一詞，但該過程並不是真正的細胞呼吸作用，行光呼吸細胞中進行的真正呼吸作用被專稱為暗呼吸（細胞呼吸是細胞內分解有機物質産生能量的過程，與日常聽到的呼吸不一樣，後者指的是呼吸道的氣體交換。註意：文中若提到呼吸，指的均為細胞呼吸作用）。加上“暗”字是為了與光呼吸有所區別，因為光呼吸衹在光照下纔會發生，這也是其名字中“光”（希臘語：Φωτο）的由來。而暗呼吸既在有光，也在沒有光的情況下發生。
光呼吸被冠以“呼吸”二字（英語：respiration），是因為光呼吸與呼吸作用（在行光呼吸細胞中則為暗呼吸）的投入産出一樣，就是說氧氣參加了反應並被消耗，過程中會釋放二氧化碳。但兩者除了在是否需要光照這一點上存在差異之外，還有光呼吸過程要消耗atp，即能量，還要消耗還原當量nadph，這是和暗呼吸不一樣的，暗呼吸是細胞獲得能量的途徑。第三點，光呼吸發生的場所為葉緑體，過氧化物酶體和綫粒體，與暗呼吸在細胞質和綫粒體發生有區別。
“所有行光合作用的細胞”包括植物，藻類，眼蟲，藍藻，紫細菌，緑細菌和太陽細菌。但是，像藍藻和藻類這種水生的生物，它們具有從周圍介質中主動吸收無機碳並積纍的能力。藍藻的細胞膜上有碳酸根泵，它能提高羧化體（carboxysome）中二氧化碳濃度的作用，而羧化體正是藍藻卡爾文循環發生的場所。而相應地，藻類也有類似機製，其中澱粉核可能起到重要作用。高濃度的二氧化碳會壓製光呼吸。加上藍細菌沒有葉緑體，過氧化物酶體，綫粒體的原核生物，光呼吸即使會發生，也衹能進行到乙醇酸一步。所以，在20世紀80年代有人懷疑，究竟藍藻中是否會發生光呼吸。目前的情況是，有人認為藍細菌能有效壓製光呼吸，但不能完全避免乙醇酸的産生。生成的乙醇酸可能會被排出，甚至可能會被菌落的其他個體作為碳源吸收。
2—磷酸乙醇酸是光呼吸過程中出現的第一個産物，它是一個具有二個碳原子的化學物質，因此人們又將光呼吸稱為c2光呼吸碳氧化循環（c2 photorespiration carbon oxidation cycle，pco），或簡稱c2循環。除此之外，光呼吸還有別的名稱：氧化的光合碳循環（oxidative photosynthetic carbon cycle），乙醇酸途徑（glycolate pathway）或c2旁路。
三、過程
光呼吸涉及三個細胞器的相互協作：葉緑體、過氧化物酶體和綫粒體。整個過程可被看作由rubp被加氧分解為2—磷酸乙醇酸和3—磷酸甘油酸開始，經過一係列的反應將兩碳化合物磷酸乙醇酸生成3—磷酸甘油酸，後者進入卡爾文循環，可再次生成為rubp。而葉緑體內進行的是光呼吸開始和收尾的反應，過氧化物酶體內進行的是有毒物質的轉換，而綫粒體則將兩分子甘氨酸合成為一分子絲氨酸，並釋放一分子二氧化碳和氨。在光呼吸過程中産生的氨，細胞能通過𠔌氨酰胺—𠔌氨酸循環快速固定再次利用高效回收，這個過程消耗一分子atp和nadph。在陸生c3植物中，在光呼吸過程中産生的氨量比植物根部能吸收到的還要多，成為植物自身氮代謝的一個重要環節。而且相比起根部通過吸收硝酸根或直接從根瘤中得到氨的固定途徑，光呼吸的氨固定效率要高出5到10倍。
葉緑體，過氧化物酶體和綫粒體相互靠近，如果是這樣的話，底物在細胞器之間的擴散距離就會被縮短，反應速度自然會被加快。
1、葉緑體部分
光呼吸的開始部分：1分子氧氣能與1分子1,5-二磷酸核酮糖生成1分子2-磷酸乙醇酸（2-phosphoglycolate）和3-磷酸甘油酸（3-phosphoglycerate）。反應由1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶rubisco催化。
這1分子磷酸乙醇酸會被磷酸乙醇酸磷酸酶脫去磷酸機團成為乙醇酸（glycolate）。乙醇酸在葉緑體內膜上有相應的轉運體（translocator），它協助乙醇酸離開葉緑體。乙醇酸到達過氧化物酶體時，會通過可能是由孔蛋白（porin）組成的孔（poren）進入過氧化物酶體。
而橫嚮來看，光呼吸的最終階段也是發生在葉緑體。由過氧化物酶體得來的甘油酸會轉變為3-磷酸甘油酸，而後者也是光呼吸開始時二磷酸核酮糖分解和卡爾文循環羧化階段的産物。3-磷酸甘油酸會進入卡爾文循環餘下的兩個階段：還原階段（産物是丙糖磷酸triosephosphate）和1,5-二磷酸核酮糖再生階段。
同時，葉緑體也能將α-酮戊二酸還原為𠔌氨酸。這是光呼吸過程中𠔌氨酸-酮戊二酸循環中的一部分。再生的𠔌氨酸會再回到過氧化物酶體內與乙醛酸進行轉氨基作用。
2、過氧化物酶體部分
過氧化物酶體的基質是細胞中處理有毒物質的特殊場所。但通過對擬南芥（學名：arabidopsis thaliana）的研究，過氧化物酶體具有比以前認為的（即脂類降解，光呼吸和過氧化氫解毒三大作用）更多功能。在光呼吸光程中産生的乙醛酸和過氧化氫（雙氧水）都是有毒害作用的物質。即使該兩種物質低濃度的存在於葉緑體中，也能夠完全阻斷光合作用的發生。原因是，乙醛酸和過氧化氫會氧化卡爾文循環中硫氧還蛋白的二硫鍵，硫氧還蛋白因此失去激活下遊蛋白的能力。乙醛酸還能抑製rubisco。
在過氧化物酶體中，乙醇酸加氧成為乙醛酸，並生成過氧化氫。
過氧化氫會被過氧化物酶體中的過氧化氫酶（catalase）催化為水和氧氣。而乙醛酸也會在𠔌氨酸的參與下通過轉氨基作用生成甘氨酸，催化的酶是𠔌氨酸乙醛酸轉氨酶。甘氨酸通過孔道逸出過氧化物酶體到達綫粒體，通過轉運進入後者參加下一步反應。
而在綫粒體生成的絲氨酸則又會回到過氧化物酶體，這時的絲氨酸會作為氨基供體，通過絲氨酸乙醛酸氨基轉移酶（serine glyoxylate aminotransferase sgat）轉變為羥化丙酮酸，後者在nadh供氫的情況下被還原為甘油酸，返回葉緑體。而絲氨酸乙醛酸氨基轉移酶和𠔌氨酸乙醛酸轉氨酶所催化的反應都是植物體內調節氨基酸含量的重要過程。
與綫粒體和葉緑體膜的選擇性通透不同，過氧化氫和乙醛酸非常容易通過過氧化物酶體膜逸出。但這並未發生，是因為過氧化物酶體的基質的特殊性質。實驗發現，倘若綫粒體或葉緑體的膜被破壞（例如將兩者懸浮於水中，所謂的“滲透休剋”即會發生細胞膜破裂），綫粒體和葉緑體的內容物會溶解。但過氧化物酶體的內容物在膜破裂後卻會以顆粒狀存在，顆粒大小與原過氧化物酶體相當。這說明，在過氧化物酶體中，酶是以復合體（multienzymcomplex）的形式結合在一起的。一係列的酶促反應在復合體中各個部分之間能快速傳遞，又能防止底物逸出和副反應的發生，是一種非常高效的代謝形式，被稱為“代謝物溝道效應”（metabolite channelling）。
3、綫粒體部分
在綫粒體中，兩分子的甘氨酸會在甘氨酸脫羧酶復合體的作用下脫去一分子二氧化碳和氨，生成一分子絲氨酸。
這一步反應其實是非常復雜的。甘氨酸脫羧酶復合體由含硫辛酰胺輔基的h蛋白，含磷酸吡哆醛（pyridoxalphosphate）輔基的p蛋白，含四氫葉酸（tetrahydrofolate）的t蛋白和l蛋白組成。參與反應的一分子甘氨酸首先與p蛋白的吡哆醛上的醛基反應，生成一分子施夫鹼。甘氨酰殘基然後會被脫羧（除去-coo-），衹剩下-ch2nh3+，再後會被帶到h蛋白的硫辛酰胺殘基上，這是一步氧化還原反應，其中硫辛酰胺的二硫鍵被還原。之後t蛋白參與反應，斷開碳原子和氮原子之間的連接。氮元素以氨的形式釋放。而碳原子則被t蛋白轉移到另一甘氨酸的α碳原子上，成為一分子絲氨酸。
反應中生成的nadh能夠被綫粒體呼吸鏈用作能量的生成，同時也能作為還原當量被供給其他細胞器利用。緑色植物綫粒體具有很強的甘氨酸氧化能力，其甘氨酸脫羧酶復合體可占綫粒體中溶解蛋白質的30到50%。非緑色植物的甘氨酸氧化蛋白含量則很少，甚至缺失。
4、光呼吸的損耗
光呼吸比碳固定要更費能量。在卡爾文循環中，每分子二氧化碳要耗費3分子atp和2分子nadph。
假設現在要進行兩回合的光呼吸，並聯繫卡爾文循環考慮，即2分子o2加入，計算從rubp回到rubp的能量損耗。首先是整個過程會釋放出1分子二氧化碳，即上述卡爾文循環空轉一圈，損耗3atp和2nadph。再有光呼吸過程中，甘油酸激酶和nh4+的再固定各消耗1atp，後者還要一分子nadph。而過程産生的3分子3-磷酸甘油酸變為3分子磷酸丙糖和再生成一分子rubp，前者需要3分子atp和3分子nadph，而後者需要約2分子atp。考慮到過程中出現出現的熱損耗，綜上，為了平衡2分子o2的碳變化，細胞要消耗10.5atp和6nadph。
下表是在2氧氣分子參與下，2分子rubisco的羧化和氧化作用能量損耗和nadhp損耗，以及碳固定對比。
┌───────────────┐
│ │羧化功能 │氧化功能│
│atp │ 6 │ 10 │
│nadph │ 4 │6 │
│碳固定數│ 2 │ 1.4 │
└───────────────┘
當光呼吸存在時，碳固定數從沒有時的5下降到3.5，降低效率達30%。但根據wittmann.c等人發表的研究結果，短於1.5cm的垂枝樺（betula pendula roth）枝條在光呼吸（20% o2）和非光呼吸（<2% o2）條件下通過氣體交換測量發現，光呼吸並未對該植物的碳流動産生主導影響。
四、光呼吸的生化基礎和rubisco的特性
高等植物的1,5-二磷酸核酮糖羧化酶由八個由葉緑體編碼的大亞基和八個由細胞核編碼的小亞基組成。大亞基已包含催化所需的全部信息，而小亞基的功能則未明。
氧氣的存在，會降低光合作用的效能，這個現象根據其發現者被命名為瓦堡效應。該現象的出現，與氧氣在細胞中扮演的多個角色有關。第一：氧氣會以電子受體的形式出現，使得非循環電子傳遞鏈短路。第二：氧氣是對應二氧化碳在rubisco的競爭性抑製劑。
rubisco的羧化速度非常的慢，每秒能羧化3.3個rubp。而參與卡爾文循環的下遊反應的酶反應速度快，如脫氫酶的轉換數可達1000每秒。rubisco所催化的反應也因此成為光合作用中的限速反應，同時也成為目前提高光合作用的着眼點。為了補足速度上的缺陷，rubisco就要就要從數量上進行彌補。rubisco占葉中可溶解蛋白質的50%，其在葉緑體基質的濃度達4到10*10-3mol/l，植物的世界性分佈使得rubisco成為地球上最常見的蛋白質。在25°c空氣中二氧化碳的濃度為11*10-6mol/l，酶與底物（二氧化碳和rubp）之比為1000:1，這也是極其罕見的現象。rubisco的廣泛存在，也意味着光呼吸和光合作用一樣，是世界上廣泛發生的生化過程。
生物催化劑—酶具有幾個特點，其中之一是專一性，就是說酶通常衹催化一種反應物作一種反應。人們稱之為“底物專一性”和“反應專一性”。但光呼吸之所以能發生，是因為rubisco的“兩面性”，即對rubp除羧化作用（為rubp添加-coo-基團）進行光合作用外，還具有加氧酶功能（為rubp添加兩個氧原子），並將rubp導入光呼吸進程。該酶的活性中心不能分辨氧氣和二氧化碳。兩種氣體共同爭奪rubisco的活性中心，在酶動力學上該現象被稱為“競爭性抑製”，這在酶這種高效催化劑之中是很少見的。雖然在空氣中二氧化碳/氧氣比為0.035%/21%，而且在葉片的氣腔二氧化碳的濃度比外界氣體更低。但是在25°c水中，二氧化碳的溶解濃度為11µm，而氧氣的為253µm，兩者之比為1/23。考慮到rubisco對二氧化碳的80倍於氧氣的高親和力（見表中co2/o2專一性），羧化作用:加氧作用稍低於80:23，約4:1到2:1，碳固定仍處於盈餘狀態。
氧分壓和二氧化碳分壓之比例是外界决定rubisco反應平衡的因素之一。當氧分壓增大而二氧化碳分壓下降時，rubisco的加氧酶活性上升，氧氣進入c2循環。
另外，空氣溫度和濕度,光照強度也是影響碳固定速率的因素。
現今在植物細胞葉緑體基質中的rubisco，其實早在35億年前已在第一批化學無機營養生物內出現。當時地球原始大氣中缺乏氧氣而二氧化碳濃度相對較高，酶的加氧特性被壓抑而羧化作用明顯。強羧化作用對植物生長有好處。後來到了15億年前大氣中氧濃度增高，光呼吸纔慢慢增強。此時rubisco已無法區分氧氣和二氧化碳了。
五、光呼吸不被壓製的原因
光呼吸消耗非常多的能量和還原當量。而且還會降低二氧化碳的固定效率。但是1，5-二磷酸核酮糖羧化酶的結構十分復雜，通過緩慢的隨機變異去改變活性中心，要做到既能保留光合作用的功能，又要消除光呼吸，這顯得不太可能。即使是人類有目的的實驗也未能做到。科學家一直就努力通過細胞生物學技術重組1，5-二磷酸核酮糖羧化酶活性中心的氨基酸序列，但改善不大。看來要徹底解决光呼吸，涉及到該酶活性中心氨基酸序列的大規模更換和編碼基因的重編程（reprogramme），而這是目前技術難以實現的。
藍藻和高等植物rubisco的羧化和加氧活性比在25°c的空氣中為4:1到2:1。這就已經意味着巨大的損耗，五分一到三分一rubp將會被副反應利用而暫時不能用到卡爾文循環中，而且其回滾過程也意味着能量和底物的損耗。如果因為氧濃度升高或空氣溫度增加，比率降低到1:2的話，光合作用中的碳固定效果被完全抵消，碳代謝被平衡，植物將會停止生長。但是在大部分的環境下，自然選擇的壓力還不至於如此苛刻，每每要光呼吸耗盡所有光合作用之所得，而且一定要植物發展出一套適應策略去降低光呼吸才能生存。所以說，大部分植物還是可以“奢侈”地承受光呼吸的。而那一小部分不能承受光呼吸損耗的植物，則是那些生活在熱帶高溫地區，或是生存密度高，競爭大地區的植物。這裏自然選擇要求這些植物發展出一套獨特的機製去壓製光呼吸。
▲c4植物的光呼吸壓製策略
而生活在幹旱地區的c4類植物卻能很好的抑製光呼吸，因此它們比c3類植物更經濟。這套機製並不涉及rubisco的改造。c4植物的葉面有着“花環解剖結構”（德語：kranzanatomie），植物的物質傳導管道，即維管束，被一圈特化的細胞—維管束鞘細胞所包繞，維管束鞘再外面則是葉肉細胞。之所以說是“特化”，是因為維管束鞘細胞的結構與c3植物的不同，維管束鞘細胞和葉肉細胞存在分工現象。
首先是維管束鞘細胞的葉緑體，有些c4植物的維管束鞘細胞含有基粒退化的葉緑體，被稱為無基粒葉緑體，這些葉緑體衹含間質片層。而在光合作用的光反應中所需的光係統ii（photosystem ii）主要是分佈在基粒上。基粒的缺失意味着光反應不能正常進行。因此，無基粒葉緑體變成了專師暗反應的場所。
還有，葉肉細胞與外界可以進行氣體交換，而且與c3類植物不一樣，c4類植物的葉肉細胞不再被區分為海綿和柵欄葉肉組織，這樣，維管束鞘細胞的與外界氣體進行交換就被葉肉細胞取代了。雖然葉肉細胞和維管束鞘細胞被它們自身的木栓質細胞壁所隔開。但是兩者之間具有廣泛的胞間連絲聯繫，這種聯繫使得兩者之間新陳代謝産物進出成為可能。如果破壞這種結構，反而會降低組織間物質流動速度，造成co2在維管束鞘漏逸，降低相關酶的活性。可見，葉肉細胞則成了碳固定的場所。
綜上兩點，c4植物這種結構將二氧化碳的固定與卡爾文循環其他反應在空間上被隔開了。葉肉細胞高效吸收外界二氧化碳，再以碳酸根的形式供給維管束鞘細胞進行下面的反應。葉肉細胞成了二氧化碳泵，在它們裏面進行的二氧化碳轉為碳酸根的過程被稱為二氧化碳先固定。而從二氧化碳的先固定到二氧化碳最終在維管束鞘細胞的釋放被稱為哈奇—史萊剋循環。過程如下：二氧化碳先與磷酸烯醇式丙酮酸（pep）通過磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶合成草酰乙酸（oxalacetate），再被蘋果酸脫氫酶轉化為蘋果酸（malate），蘋果酸會先被保存在葉肉細胞的液泡中，然後再進入維管束鞘細胞中分解為丙酮酸（pyruvat）和二氧化碳，二氧化碳此時纔加入到卡爾文循環中。
觀察上面的過程，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶對二氧化碳的親和力比rubisco高得多。與c3植物的葉肉細胞要等到結合到大氣中稀薄的二氧化碳才能開始卡爾文循環相比，c4植物的維管束鞘細胞則有了葉肉細胞這個能快速而且密度大的“供貨”上遊，源源不斷地“泵”進二氧化碳，反應自然更高效。即使泵過程耗能，但是c4植物維管束鞘細胞中rubisco周的二氧化碳濃度從5 µm被提高到 70 µm，高濃度二氧化碳能抑製光呼吸。c3類植物則要花費大量能量進行光呼吸。而在高溫環境下，這種能量節約效果就更明顯了。因為溫度升高，rubisco的加氧活性上升比羧化提升來得更快。雖然c4類植物在光合作用方面對環境的要求比c3類植物要高，適應性低，但c4類植物的二氧化碳泵機製卻使它們具有很大的生理優勢。
在熱帶地區，太陽入射角大，投影面積小，光通過大氣的路程短，結果是地面溫度高，光強大。c3植物光呼吸強度大，而且會損耗掉卡爾文循環中固定的碳元素的20%，能量損失非常大。加之c3植物要靠頻繁開放氣孔吸收二氧化碳以補償自身rubisco效能的低下，水分隨着開放的氣孔溢出（蒸騰作用），水分散失自然比c4植物的多。而水份供給又是植物從水生變到陸生之後的生存决定因素。不難理解，c3植物在該地區難以與c4植物競爭。
但是，光照弱的地區，卻很少能見到c4植物（例外：唐氏米草，學名：spartina townsendii）。光照弱（甚至成為生態學上的限製因素），溫度低，c3植物可以省下二氧化碳前固定的能量，更具優勢。
綜上，將二氧化碳泵機製引入熱帶地區c3類植物，也是目前改造c3類植物光合效率的一個方向。
六、光呼吸的人工控製
有人認為，抑製光呼吸可以提高植物，特別是農作物的碳固定量，從而達到糧食增産的目的。因此科學家們對這方面都作過很多研究，期待有效抑製光呼吸。
1、基因工程和轉基因技術
該方面的研究焦點是rubisco。科研人員力求通過改變rubisco本身結構或其作用環境，以達到提高其在光合作用方向上的專一性。通過基因工程和轉基因技術的結合，目前有三種嘗試。前兩種着眼於提高rubisco的羧化效率，即直接降低加氧酶活性，和通過加入c4旁路的酶提高rubisco周圍的二氧化碳濃度。第三種方法則是通過控製光呼吸其他的酶以達到降低光呼吸的目的。總體來說，這些方法還沒有取得非常明顯的成果，有時甚至得到負面的結果。
▲嘗試一
科學家在rubisco改良方面有三種方向。一是為植物導入優質的rubisco。研究發現，紅藻的rubisco其羧化/氧化專一性竟是糧食作物的三倍。兩種紅藻cyanidium caldarium和galdieria partita擁有的rubisco，其相對專一性為高等植物的2.5倍。因此有人將galdieria partita的rubisco通過原質體係傳導的方法導入到煙草植物細胞中。然後實驗人員經過一段時間後測出植物體內該rubisco大亞基的含量顯著升高，但卻沒有明顯的光合活性提升。原因可能在於煙草細胞中缺乏質粒伴侶素蛋白（chaperon），這是該rubisco正確摺叠，以及發揮其效能的關鍵。
第二，是直接改造rubisco。如上所述，rubisco有8大亞基和8小亞基組成。大亞基包含了催化所需的結構。而小亞基則功能未明。故目前的科研都比較集中在大亞基上。rubisco的大亞基上特定區域的氨基酸序列决定或影響了催化速率。但目前所有在這方面的基因工程試驗都得到了負面結果，即光合效率反而更低。雖然目前原核生物和真核生物的rubisco三維結構已瞭解得比較清楚，但是氨基酸序列，三維結構和催化效能的關係目前仍未明確。目前仍沒有一種比較明確的基因工程策略。隨機突變技術如有性pcr（dna shuffling）和加速進化目前都有應用，但是直到今天，仍未有人成功分離出改造成功的rubisco。
而在小亞基方面，改造工程處於起步階段。有人在突變藍細菌（cyanobacteria）和緑藻的小亞基基因的試驗後提出，小亞基有可能在提高碳固定效率和區分氧氣/二氧化碳方面有其作用。也有可能，小亞基的基因工程是比目前大亞基基因工程更可行的改造策略。
第三，是通過激活蛋白改變rubisco活性。科學家發現rubisco的活化—失活狀態和一種叫rubisco活化蛋白（rubisco activase）有關，這種蛋白在試管實驗中顯得並不穩定。c3植物在30到35攝氏度的環境下，碳積纍能力下降。這個過程是可逆的，就是說衹要溫度回落，植物的碳固定能力會恢復。因此有人提出rubisco活化蛋白與植物光合能力隨溫度起伏這一現象有關。越來越多文獻支持這一假設。值得註意的是，c4植物tidestromia在48°c的環境下纔達到其最大光合能力，可能與該植物rubisco活化蛋白比大部分高等植物的更穩定，更適宜在高溫環境下發揮作用有關。雖然還處在假設階段，但是科學家已着手進行實驗。他們利用基因突變等製造耐熱的rubisco活化蛋白。在試管中製造出的耐熱rubisco活化蛋白已能被分離並植入擬南芥中。這些實驗植物在小幅度的提高溫度的條件下，葉面面積是野株的兩倍，光合效率提高30%。雖然這些結果衹是初步的，但人們已經看到該方法在提高植物在高溫環境下光合作用所具有的潛力。
▲嘗試二
提高二氧化碳濃度能降低光呼吸強度，正如c4植物的二氧化碳泵所作的。將c4植物二氧化碳泵機製引入c3植物也是目前的研究方向之一。其實，早在c4機製被闡明沒多久，就有人致力於將c4植物的優良性狀傳導給c3植物，但是都失敗了。在20世紀末21世紀初，c4旁路中的4種酶都被重組到c3植物中並被成功表達。例如，玉米等c4植物中分離出這些酶的基因就被重組到目標植物大米中。這些基因成功得到高水平的表達。科學家雖然從中觀察到一些有趣的現象，但是並沒有得到任何專一性方面的明顯提高。這些酶單一的高水平表達並沒有明顯影響到大米的生長。而其中nadp-蘋果酸酶的高含量卻會導致植物發育滯脹和葉片變白。很重要的一點，c4植物的二氧化碳泵機製並不單單是酶的作用結果，還有其解剖方面的結構基礎，即其“花環解剖結構”。而目前在該方面的科研努力都沒有考慮到這麽一個重要因素，衹是着眼於在c3植物細胞中建立一套c4植物的酶係統。可見在這個方向的科研上還有很大需要改善的餘地。
還有一種初步成功方法，就是將高度需二氧化碳藍細菌中的ictb基因移植到高等植物中。雖然有人提出該基因具有積纍無機碳元素的功能，但是總的來說ictb作用還是未明。現在科學家已經成功使煙草（nicotiana tabacum）細胞表達藍細菌聚球藻 pcc7942（synechococcus pcc7942） ictb基因，並觀察到，煙草在一定的二氧化碳水平下（但該水平並不是二氧化碳的飽和水平）表現出更高的光合效率。這種結果也在接受了魚腥藻 pcc7120（anabaena pcc7120）ictb基因的擬南芥被觀察到了。在低濕度環境下，轉基因的擬南芥arabidopsis thaliana比野株生長更快，幹重更大。這種光合效率的上升和碳盈虧點的下降說明了ictb基因可能在為rubisco提高二氧化碳濃度方面具有一定作用。這些實驗的結果說明，為農作物引入ictb基因可能能提高炎熱幹旱地區的農作物産量。將該基因投入商業用途需要一個前提，就是要明確認識到該基因在細胞中表達的蛋白質在細胞中的位置和作用。
▲嘗試三
第三種嘗試是改變其他參與光呼吸酶的活性以達到抑製光呼吸的目的。這可以通過基因工程或添加光呼吸抑製劑達到。關於光呼吸抑製劑請見後。
這種嘗試是建立在化學平衡的理據之上：一個化學反應a→b，反應初，a的濃度大，不斷轉變為b。但b會通過逆反應返回a，衹是開始的時候b的濃度比a低得多，反應趨勢是a到b。但如果b的濃度足夠大，b到a的反應發生得和a到b一樣頻繁，反應在宏觀上就被停止了。
再觀察反應鏈a→b→c。如果b→c很慢，甚至被抑製，b的濃度就會很高。a→b之間的反應就不能進行，衹能維持在平衡狀態。
這種嘗試試圖解决能量，rubp和nadph在光呼吸途徑上被浪費的問題。但是中間産物會因反應不能進行而被堆積，會對細胞造成損害。
試驗證明，通過基因改造抑製了某些參與光呼吸的酶的植物，無法在正常空氣中生長。在反義植物中，甘氨酸脫羧酶的活性被壓製，會導致植物日間甘氨酸水平高於野株100倍，進而出現光合速率降低和生長速度放慢。一些植物，其絲氨酸羥甲基轉移酶（serine hydroxymethyl transferase shmt）的活性降低則會更明顯的影響植物的生長，特別是在高光照環境下。絲氨酸羥甲基轉移酶活性被嚴重降低的植物無法在正常空氣中生存，甚至在一般光照下也不行，但是卻能在高二氧化碳下生存。
2、提高植物周圍二氧化碳分壓，降低氧分壓
如上所述，rubisco的羧化酶/加氧酶活性受到所處大氣二氧化碳和氧氣的分壓比例影響。同樣是21%的氧氣，在伴有300 μl/l co2的情況下，光合作用效率會下降41%，其中三分二是因為氧氣爭奪rubisco中心造成的，而另外三分一則是光呼吸損耗造成的。當二氧化碳濃度再下降到50 μl/l時，光合作用效率則會下降92%，此時，三分之二的損失卻是由光呼吸造成的。
因此人為地提高rubisco周圍二氧化碳/氧氣分壓比例是抑製光呼吸一個快速有效的方法。在生産方面，在溫室或大棚等封閉的係統中，可以應用幹冰，或某些化學反應以提高空氣中的二氧化碳濃度。而在露天的大田則應該註意風嚮的選擇，保證通風良好，並且適當施加有機肥料，如碳酸氫銨，以增加土壤的二氧化碳釋放率。據測定，缺乏腐殖質的土地二氧化碳釋放率為2千克/畝·小時，相對的富含腐殖質的土地，二氧化碳釋放可達4千克/畝·小時。目前全球氣候變暖，二氧化碳的濃度在過去兩三百年內因為工業的發展在穩定上升，到2050年時，二氧化碳會到達550ppm水平。從全球的角度來看，糧食産量可能會因為光呼吸的抑製而增加。但這個效應應該結合臭氧和其他氣候因素綜合考慮。
3、使用光呼吸抑製劑
乙醇酸是光呼吸過程中第二個産物，科學家通過某些化學製劑可以抑製其産生，使得光呼吸的後續反應無法進行下去，從而達到抑製光呼吸的作用。主要的光呼吸抑製劑有以下幾種：
①α-羥基磺酸????，能抑製乙醇酸氧化酶的活性，乙醇酸的氧化過程受阻，後續反應減慢，另一方面這會造成乙醇酸濃度的上升，在1，5-二磷酸核酮糖→乙醇酸的反應中，反應平衡往反應物方向移動，光呼吸被抑製。但是值得註意的是，當經過一段時間後，植物固碳效果並不顯著提升，估計是由於積纍起來的乙醇酸對植物造成毒害作用而致的。
②亞硫酸氫鈉，同樣是作用於乙醇酸氧化酶。以100mg/l 的亞硫酸氫鈉噴灑大豆葉片，1到6天內，光合速率平均提高15.6%，光呼吸被抑製達32.2%。
③2，3-環氧丙酸，有人認為其會作用於𠔌氨酸-乙醛酸轉氨酶，達到抑製光呼吸的目的，但並未得到廣泛證實。
需要註意的是，目前大多數有關光呼吸抑製劑的數據都來自於實驗室，並未得到廣泛的應用和證實，而且科學家還未能找到一種不具副作用的rubisco加氧酶特異抑製劑。
4、選用低光呼吸作用作物
不同的植物，其光呼吸的強度也不一樣。c3類植物，如大多數樹木，大豆，煙草屬於高光呼吸植物類型，光合速率較低。相對於高光呼吸植物，c4類植物的光呼吸可以說被完全抑製，如甘蔗和玉米。目前在高等植物中發現的專一性最高的rubisco存在於糧食作物中。根據在地中海地區對24c3類植物的rubisco研究，科學家得出結論，生活在炎熱，乾燥和高????環境中的植物，其rubisco專一性較高。補血草屬植物（limonium）擁有的rubisco專一性超過了很多農作物，而其中的一種limonium gibertii更是該次研究的專一性冠軍。理論上，可以通過雜交或分子生物學技術改造農作物光呼吸方面的屬性，提高産量。
七、光呼吸的正面效應
對於c3類植物來說，光呼吸就如一個活塞。當外界氣溫升高，而植物氣孔需要關閉來防止過多水分的流失時，葉中的二氧化碳濃度會降低，這導致暗反應的停滯。暗反應不能及時消耗多餘的能量atp，這導致在光反應中單態氧出現機率增大。而單態氧非常活潑，會對葉細胞的光合作用器進行廣泛的破壞。近期對於轉基因植物和插入突變株的研究表明，光呼吸是植物在有氧環境下必須的生化過程。總結來說，植物在高光照，幹旱和高????等熱帶環境下會發生光抑製，而光呼吸則很可能是減輕其影響的機製。
光呼吸過程中産生的兩種氨基酸：甘氨酸和絲氨酸可為植物代謝所用。
所有這些發現導致了植物科學方面的討論，是否應該在降低植物光呼吸方面去作出努力。
八、測定方法
一般的氣體交換方法不能測出光呼吸的二氧化碳/氧氣使用情況。可用的方法有如下幾種：
①對植物進行光照，突然停止，這時會發生所謂的“二氧化碳猝發”，其速率可代表植物光呼吸的速率。
②先讓植物在低氧環境下進行光合作用，此時光呼吸不能進行。在將植物植物置於大氣中，可根據兩種狀態之間的差異推算光呼吸的速率。
③用具有碳14同位素的二氧化碳供應植物進行光合作用。然後在暗室嚮植物通入不含二氧化碳的空氣，測定其呼吸情況一次。再在光照條件下測定一次。可根據兩次之差進行推算。
④將二氧化碳與光合速率關係麯綫移動至二氧化碳為0，光合速率為負的位置，即可讀出光呼吸速率。 | |  光呼吸 百科辞典
光呼吸
photorespiration
植物緑色細胞在光下發生的吸收氧和放出二氧化碳的過程。光呼吸與光合作用同時發生，其機理與一般細胞在光照和黑暗中都可進行的呼吸顯著不同。
光呼吸的底物是乙醇酸，它是在葉緑體內經核酮糖二磷酸羧化酶催化核酮糖二磷酸發生加氧反應而形成，以後轉移至過氧化體內被氧化為乙醛酸。這是光呼吸的吸氧過程。乙醛酸進一步轉變為甘氨酸後轉移至綫粒體中發生分解,放出CO□，這是光呼吸釋放二氧化碳的過程。在光呼吸中，乙醇酸由於是由光合碳循環中形成光合産物前的中間産物轉化而來，它的産生會影響光合産物的積纍，它以後的分解又使光合固定的二氧化碳被釋放掉，光合作用中固定的能也同時損失，所以光呼吸使光合效率降低。
植物光呼吸的強弱與植物的結構特徵和外界條件有關。C□植物葉部的維管束被緊密相連的含葉緑體的維管束鞘細胞所包圍，維管束鞘細胞光呼吸時放出的二氧化碳能被再次收集固定，故光呼吸強度極低。C□植物缺乏這種結構，故光呼吸強。另外，由於光呼吸的底物乙醇酸是在光照條件下形成的，故光照增強時光呼吸與光合作用同時增強。空氣中氧的濃度增加也能使光呼吸增加；而增加二氧化碳濃度則會使光呼吸受到抑製。
（李明啓） | | - n.: photorespiration
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