Calvin 循環細部

Calvin-Benson-Bassham cycle 是地球生物圈最重要的碳固定路徑，現代研究著重於 RuBisCO 效率工程、C4 演化、合成生物學改造等議題。

RuBisCO 的演化困境

RuBisCO 同時具 carboxylase 與 oxygenase 活性，Specificity factor (S_C/O) 量化偏好 CO₂ 程度。範圍：

• 紅藻 RuBisCO：S = 200+（最高）
• C3 植物：~80-100
• C4 植物：~70-80
• 藍綠菌：~40-60

RuBisCO 演化困境（Tcherkez et al., PNAS 2006）：S 與 turnover rate（kcat）負相關。提高 S 必然犧牲速度。當前 RuBisCO 已接近 evolutionary optimum，難以同時改善。

RuBisCO 結構分類

• Form I：L8S8（陸地植物、藍綠菌、部分細菌）
• Form II：L2（紫硫菌、甲烷菌）- 高效但 S 低
• Form III：考古菌
• Form IV：RuBisCO-like protein，無 carboxylase 活性

RuBisCO Activase

RCA 利用 ATP 把 RuBisCO 從 inhibitory states（含 RuBP、XuBP、CA1P）拉回 active state。RCA 對熱敏感，是高溫下光合效率下降的主因。基因工程 RCA 改善熱耐受性是當前研究焦點。

光呼吸的代謝細節

2-phosphoglycolate 回收路徑（C2 cycle）：

• 葉綠體：2-PG → glycolate
• Peroxisome：glycolate → glyoxylate → glycine
• Mitochondria：2 glycine → serine + CO₂ + NH₃
• Peroxisome：serine → hydroxypyruvate → glycerate
• 葉綠體：glycerate → 3-PGA

淨：消耗 3 ATP + 1 NADH + 釋 1 CO₂ + 1 NH₃。

光呼吸並非完全有害——可能保護光系統免於 over-reduction、提供胺基酸前驅物。

C4 演化

C4 光合在過去 35 Myr 獨立演化至少 60 次。最新分子系統發育顯示包括 monocot（玉米、高粱）和 dicot（如莧科）。

Darwinian 漸進演化模型（Sage 2004）：

1. Pre-C4 anatomy：bundle sheath 增厚
2. C2 cycle（glycine shuttle）
3. PEPC 上調
4. 完整 C4 cycle

Synthetic Biology Calvin Cycle 改造

1. RuBisCO 改造：定點突變、定向演化
2. Photorespiration 旁通：South et al.（Science 2019）將 E. coli 旁通路徑導入煙草，生物量提高 40%
3. C4 工程入 C3 作物：「C4 Rice」國際合作計畫
4. Carbon-concentrating mechanisms (CCM)：藍綠菌 carboxysome 工程
5. 完全合成碳固定路徑：CETCH cycle（Schwander et al., Science 2016）使用體外酵素提高效率

CCM 機制

藍綠菌的 carboxysome：

• 多面體蛋白外殼
• 內含 RuBisCO + carbonic anhydrase
• HCO₃⁻ 被泵入 → CA 轉為 CO₂ → 高濃度 CO₂ 環繞 RuBisCO
• 有效抑制 oxygenase 活性

演化轉移到 C3 植物正在進行（Long et al., 2015）。

Light Regulation 細節

Ferredoxin-thioredoxin 系統：光 → PSI → ferredoxin → FTR → thioredoxin → 還原 Calvin 酵素 disulfide → 活化

Light-activated enzymes：

• Fructose-1,6-bisphosphatase
• Sedoheptulose-1,7-bisphosphatase
• Phosphoribulokinase
• GAPDH (NADP)
• RuBisCO（via activase）

Mg²⁺ 與 pH 變化

光反應：H⁺ 從基質泵到類囊體內部 → 基質 pH 8、Mg²⁺ 從類囊體流出至基質。

Calvin 酵素 optimum pH 8 + 需 Mg²⁺，因此光反應條件直接活化 Calvin。

Crop Improvement 應用

1. 增加 RuBisCO 含量（已知速率限制）
2. RCA thermostability
3. 引入 CCM
4. 光呼吸 bypass
5. 提高 SBPase（被認為是 Calvin 通量限制酵素）

Long & Ort（2010）估計理想化光合效率工程可使作物產量提高 50%。

全球碳循環貢獻

Calvin 循環每年固定約 120 Pg C：

• 陸域：60 Pg C（GPP，含光呼吸損失）
• 海洋：50 Pg C（浮游植物 + 大型藻 + 海草）

人為 CO₂ 排放（~10 Pg C/yr）中約 31% 被陸域 carbon sink 吸收，主要透過 CO₂ fertilization 提升 Calvin 通量。但 N、P 限制使此效應逐漸 saturate。