自然界已有高光效光合途徑的跨物種重建

將具有高光效特征的光合作用系統(tǒng)在當(dāng)前作物中進(jìn)行有效重建，實(shí)現(xiàn)大幅度提高作物光能、水分及氮素利用效率。這些途徑包括：在?C₃植物中實(shí)現(xiàn)?C₄光合作用改造、羧體重建、pyranoid?重建等；擴(kuò)充光合作用可用光譜范圍，如建立藻膽體、葉綠素?d?和葉綠素?f?等擴(kuò)充光譜；將景天酸代謝途徑（CAM）途徑轉(zhuǎn)入當(dāng)前?C₃植物，提高?C₃植物抗旱性。

創(chuàng)建全新光合系統(tǒng)

基于光合系統(tǒng)運(yùn)行的分子機(jī)理，開(kāi)展全新的自然界尚不存在的光合系統(tǒng)的構(gòu)建，拓展光合系統(tǒng)利用多種能源渠道，將為擴(kuò)展糧食、能源生產(chǎn)渠道，提供巨大潛能。這方面可以進(jìn)行的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究包括：構(gòu)建全新?CO₂固定通路，建立不用?Rubisco?的、更高效的?CO₂固定通路；創(chuàng)制自養(yǎng)型大腸桿菌，建立全新工業(yè)微生物底盤(pán)；建立全新光合代謝合成通路，實(shí)現(xiàn)直接利用以纖維素為基本組成部分的生物量為能源，生產(chǎn)淀粉、蔗糖等工業(yè)用糖的高效光合代謝通路；建立全新代謝通路，實(shí)現(xiàn)利用光以外能源（如還原能等）為能源，開(kāi)展?CO₂固定的新型光合代謝通路。

創(chuàng)制光合系統(tǒng)-新材料復(fù)合體

基于光合系統(tǒng)的分子機(jī)理，創(chuàng)建新型光合系統(tǒng)-材料整合系統(tǒng)，高效生產(chǎn)?O₂、H₂、電能等高附加值產(chǎn)品。這方面可以進(jìn)行的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究包括：建立人工光合系統(tǒng)，利用人工系統(tǒng)生產(chǎn)?O₂、電能、氫能，構(gòu)建利用人工光合系統(tǒng)生產(chǎn)光合產(chǎn)物的人造光合系統(tǒng)——葉片光合與智能材料有機(jī)結(jié)合，這包括在葉片表面建立蠟質(zhì)層，提高葉片反射提高抗旱性；葉片內(nèi)植入具有?CO₂吸收及釋放能力的全新材料，在氣孔下腔建立高?CO₂濃度區(qū)域。除此以外，針對(duì)現(xiàn)有人工光合體系的諸多局限性（例如光合過(guò)程中，無(wú)機(jī)材料產(chǎn)生的空穴對(duì)有機(jī)系統(tǒng)的破壞作用，以及無(wú)機(jī)和有機(jī)材料催化活性的不匹配性等），可以利用理性設(shè)計(jì)策略通過(guò)自組裝的方法來(lái)精確組裝光催化所需要的酶和無(wú)機(jī)納米材料，提高電荷傳輸和催化效率，同時(shí)減少無(wú)機(jī)材料在光催化過(guò)程中對(duì)生物體系造成的光損傷，從而為推進(jìn)人工光合作用體系的實(shí)際應(yīng)用提供有力的保障。（作者：朱新廣，中國(guó)科學(xué)院植物生理生態(tài)研究所 植物分子植物卓越中心和分子遺傳國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；熊燕，中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院（上海營(yíng)養(yǎng)與健康研究院）；阮梅花，中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院（上海營(yíng)養(yǎng)與健康研究院）；劉曉，中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院（上海營(yíng)養(yǎng)與健康研究院）；徐健，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所；鐘超，上?？萍即髮W(xué)。《中國(guó)科學(xué)院院刊》供稿）