研究者们相信，人类可以帮助水稻“进化”出C4光合作用机制。“这需要运用转基因实现发育调控，是最高水平的转基因工作。”中科院遗传与发育研究所发育生物学研究中心高级工程师姜韬说。

　　在上世纪90年代，古森本将玉米中的一种光合作用酶的基因导入水稻中，使水稻的光合作用效率得到部分提高。虽然还远不及C4植物的水平，但是证明了玉米中与光合作用相关的基因可以在水稻中表达。“当时大家都不相信这个可行。”古森本说。

　　2000年初，古森本将玉米中两个酶——PEPC和PPDK的基因整合进水稻中，并将这个水稻品种交给了袁隆平，以及安徽省农业科学院水稻研究 所焦德茂团队、江苏省农业科学院遗传生理研究所李成荃团队，希望运用杂交的方式，产生既保留玉米基因，又适合中国环境的水稻。“根据2011年5月的报 告，田间的产量可以增加15%－20%。”古森本说。

　　古森本计划，在2013年，使水稻表达六种玉米的光合作用酶的基因，完成一期C4水稻。

　　C4联盟也在2012年刚刚结束的一期项目中，鉴定出形成C4光合作用机制的核心基因，以及控制花环结构的目标基因。在这个过程中，中科院上海 生命科学研究院研究员朱新广带领的团队致力于鉴定C4原型所必需的所有核心元件，及设计其最佳配合方式。在一期中，该团队鉴定出了C4光合系统运作必需的 转运蛋白。

　　现在，C4联盟已经将主要C4代谢酶转入水稻。同时，在控制花环结构的重要基因方面，也取得了进展。

　　“花环”难题

　　第一批C4水稻研究者将焦点投在酶上，却始终得不到理想的试验结果。直至研究者们意识到，花环结构是C4光合作用提高光能利用效率的关键因素，而这在以往的C4工程改造中没有涉及。

　　“这好比运作一个大工厂，酶是机器。若要提高生产效率，就需要一定数量的按规律排列的机器。与此同时，也需要安排好放置机器的房间。而这些房间就是植物中的叶肉细胞、维管束鞘细胞。”多伦多大学生态学及进化生物学教授罗温·塞格(Rowan F Sage)说。

　　显微镜下的C4植物叶片切片中，排列着一个个圆环，这些圆环由维管束鞘细胞排列组成。由于形状很像花环，因此用德文Kranz(花环)命名。C3植物的维管束鞘细胞内因缺少叶绿体，显得干瘪且不规则。

　　C3植物仅在叶肉细胞中完成光合作用，C4植物却同时在叶肉细胞、维管束鞘细胞两个细胞中工作。

　　维管束鞘细胞可以保护光合作用的核心酶——Rubisco少受O2的影响，同时，可使被源源输入的CO2免于泄漏，进而形成一个“高压CO2舱”，也增加了CO2的利用率。

　　可见，高效的C4途径需要两种光合作用细胞间有序分工、密切合作，使光合作用酶最大程度地发挥作用，提高光能、氮素利用效率，减少水和能量的浪费。

　　C4水稻项目及其他相关研究团队，计划将更大的精力投放在对花环结构的研究上。要在4.5万个玉米基因中锁定控制花环结构的核心基因，犹如大海 捞针。塞格预计，需要改变数十个到数百个基因，才可以将玉米的光合系统组装进水稻，“我们尚没有技术可以同时转移如此多的基因。”

　　每一个参与C4水稻研究的人都知道，这是一项漫长的工作。澳洲国立大学医学院环境生物学教授苏珊娜·凯米尔(Susanne von Caemmerer)在《科学》杂志上撰文表示，“我们预期未来三年获得C4水稻的原型，然而，距离C4水稻走入田间，还需要进行15年的完善。”

　　C4水稻未来

　　研究者普遍预测，C4水稻研究成功，有可能使水稻产量提升50%。但C4水稻研究绝非一个便宜的项目。

　　国际水稻研究所2012年在官网上公布，其与英国政府、比尔及梅琳达·盖茨基金会(BMGF)拨款1400万美元来支持未来三年的C4水稻项 目。这个数字接近研究人员的预期，国际水稻研究所C4联盟协调员保罗·科维克(Paul Quick)估计， C4水稻研究项目每年需要科研经费500万美元。C4水稻的研究需要15年到20年，由此推算，未来的科研经费需要7000万美元到1亿美元，这还不包括 后期的安全性评估。

　　作为该技术的主要支持者之一， BMGF已经给予C4联盟一期研究约1100万美元的资助。在2012年开始启动二期研究时，英国国际发展署(DFID)也加入了资助的行列。就连对转基 因技术一向保守的欧盟，也联合科研界以及商界，设立了为期五年的“3到4”项目，希望通过C3转C4光合作用，发展可持续性农业。