植物光合作用产生的碳水化合物维持地球上的生命和生态系统。淀粉是植物叶绿体中最丰富的碳水化合物，是光合作用碳同化的产物，是重要的储存物质。磷酸葡萄糖异构酶(PGI)催化葡萄糖6-磷酸(G6P)和果糖6-磷酸(F6P)之间的相互转化，在质体与细胞质中存在同工酶。质体PGI(PGIp)参与光合作用的淀粉合成，胞质PGI(PGIc)参与蔗糖合成和糖酵解过程。鉴于PGIs在植物生化和谷物作物种植中的重要性，对其结构和功能进行深入研究尤为必要。
中国科学院遗传与发育生物学研究所刘翠敏团队发现将稳定更强、活性更高的细胞质形式的PGI（PGIc）工程化转进叶绿体后，提高了植物的光合作用和生物产量。该研究论文的发表再一次提示人们：合成生物学是继绿色革命之后，提高农作产量、改善农作物特性的破冰利器之一。刘翠敏团队通过对小麦中两种亚细胞定位的PGIs（PGIc 和 PGIp）蛋白的三维结构的解析，揭示了PGIc相对于PGIp活性更高、稳定性更强的结构基础。进一步该团队将PGIc转入进拟南芥pgip突变体中，转基因植株均能在幼苗阶段回补其表型。PGIc转基因植株的光合作用率提高，淀粉积累增多，二氧化碳吸收增加，植物生物量、产量大幅增加。该研究为使用基因工程控制叶绿体中的淀粉代谢途径，改善植物生物量提供了新的途径。
相关研究成果结果于2021年3月28日在线发表于New Phytologist杂志（DOI:10.1111/nph.17368）。刘翠敏研究组工作人员高飞博士、博士生张慧君为本文的共同第一作者；刘翠敏研究员为本文通讯作者。该研究得到了中国科学院战略性先导专项A，国家自然科学基金的资助。
图:高性能的PGI可提高植物淀粉积累、生物量和产量
