光呼吸的分子基礎、演化解釋和工程改良是光合作用研究的核心議題。
Rubisco 加氧反應的不可避免性
Rubisco 的催化機制涉及 enediolate 中間體（RuBP 的 C2-C3 enediol），此中間體既可與 CO₂ 反應也可與 O₂ 反應。Tcherkez et al.（2006, PNAS 103: 7246）以量子化學計算和同位素分餾數據論證，Rubisco 的 Sc/o 值受制於 CO₂ 和 O₂ 與 enediolate 反應的過渡態能量差——提高 Sc/o 必然伴隨 Vc 下降（trade-off），因為兩種反應共享同一中間態。這解釋了為什麼數十億年的自然選擇無法「修好」Rubisco。
GDC 複合體
Glycine decarboxylase complex（GDC）是粒線體中催化 2 Gly → Ser + CO₂ + NH₃ + NADH 的多酶複合體，由 P 蛋白（含 pyridoxal phosphate）、H 蛋白（含 lipoic acid）、T 蛋白（含 THF）和 L 蛋白（dihydrolipoyl dehydrogenase）組成。GDC 在 C3 植物光合組織中可佔粒線體基質蛋白的 30-50%。在 C3-C4 中間型植物中，GDC 被限制在 BSC 表現，形成「glycine shuttle」——MC 的 glycine 運到 BSC 去羧化，CO₂ 被重新固定，是 C4 演化的前適應（preadaptation）。
光呼吸旁路工程
三種策略已被測試：
(1) Kebeish et al.（2007, Nat. Biotechnol. 25: 593）：在葉綠體中引入大腸桿菌的 glycolate 代謝途徑（glycolate → glyoxylate → tartronate semialdehyde → glycerate），避免 NH₃ 釋放和粒線體的能量損失。阿拉伯芥中生物量增加 30%。
(2) South et al.（2019, Science 363: 45）：結合策略 (1) 加上抑制內源 glycolate 轉運至過氧化體（敲低 PLGG1 轉運蛋白），在菸草田間試驗中生物量增加 40%。
(3) Synthetic glycolate 代謝：將 glycolate 在葉綠體中直接氧化為 CO₂（glycolate → glyoxylate → oxalate → CO₂），但目前尚未有成功的田間數據。
光呼吸與氮代謝的耦合
光呼吸釋放的 NH₃ 速率可達光合固碳速率的 50%，必須由 GS/GOGAT 循環快速重新同化。Bloom et al.（2010, Science 328: 899）提出大氣 CO₂ 上升可能降低光呼吸和 NH₃ 釋放，進而間接抑制硝態氮同化（因為光呼吸提供的還原力和碳骨架是 NO₃⁻ 還原所需的），這對未來氣候變遷下作物的氮肥利用效率有重大影響。
文獻參考：Tcherkez, G. et al. (2006). PNAS, 103, 7246-7251. / South, P.F. et al. (2019). Science, 363, 45-48.