「過去幾年的辛苦，一下就值得了，這也正是研究的樂趣。」——中央研究院（Academia Sinica）本論文第一作者呂冠箴的這句話，既質樸，也道盡科研破曉的那刻。
在 2025 年 9 月 16 日，中央研究院院長廖俊智領軍、整合生物化學研究所、農業生物科技研究中心、植物暨微生物學研究所的跨領域團隊，設計出自然界從未出現過、能與卡爾文循環並行的雙固碳系統（Dual-cycle CO₂ fixation），並在模式植物阿拉伯芥（Arabidopsis thaliana）得到固碳效率提升達 50%、生長量增加 2～3 倍與油脂合成量提升等結果；研究於《科學》（Science）期刊發表，被視為基礎代謝途徑的突破，為減碳、能源與糧食安全開啟新方向。
人工「McG 循環」與「卡爾文循環」協同，超越自然演化
科學家長久以來都知道，光合作用（Photosynthesis）雖能吸碳，卻也因光呼吸作用（Photorespiration）與脂質合成過程的 CO₂ 釋放而「吃進去又吐出來」，拖累了整體固碳效率。廖俊智指出，地表植物光合作用吸收的碳，約為人為碳排放量的 10～20 倍，但上述兩個「漏氣點」讓效率大打折扣。
為堵住漏洞，團隊以合成生物學「設計而非等待演化」的思維，抽絲剝繭打造出「McG 循環（malyl-CoA glycerate）」，先在細菌與光合菌驗證成功，再導入阿拉伯芥，讓它與卡爾文循環協同運作，構築出前所未見的雙固碳系統。結果不僅固碳效率顯著提升，生長速度與油脂產量也齊步上揚，簡單來說，同樣的光照與時間，做了更多有用的碳固定與生物量累積。
此舉承續了團隊在 2013 年建立「非氧化性醣解（Non-oxidative glycolysis）」時的路徑思考，再次在基礎代謝反應上「另闢蹊徑」。
從「C3」到「C2」，與「C4」「CAM」分庭抗禮
傳統上，自然界為了減緩一般三碳（C3）植物的光呼吸負效應，演化出兩條熟悉的應對路徑：其一是把 C3 變為四碳（C4），如玉米、甘蔗、狼尾草；其二是 CAM（景天酸代謝），如仙人掌、鳳梨、蘭花、火龍果。
中研院團隊的工作，等於開出第三條路——把 C3 轉為二碳（C2）的新型機制，而且效果優於預期：固碳效率大幅提升、生長更快、油脂大量生成、生長量增加 2～3 倍。若能持續推進，未來永續航空燃料（Sustainable Aviation Fuel）與化學品原料或可擁有新的生物來源。「條條大路通羅馬」，都來自這一條設計的力量。
從基礎到應用審慎前行，夥伴串聯步步為營
團隊謹慎強調，這項成果仍屬於基礎科學重大突破；距離解決全球碳排與糧食安全仍有距離。要走向田間與產業，尚須破解多重關卡：如性狀穩定性、對環境的影響、如何以基因編輯（Gene Editing）取代基因轉殖（Transgenesis）、以及如何在經濟作物（如稻米、蕃茄、蘭花等）複製成功經驗。欲速則不達，科學與社會的步調，必須穩健對齊。
這份跨域合作由多方串起：代謝體核心（Metabolomics Core）的徐嘉偉、電子顯微鏡核心（EM Core）的簡萬能、以及植微所吳素幸、農生中心葉國楨等共同完成，並獲得中研院「Alpha 團隊計畫」與「創新轉譯農學研究計畫」支持。眾志成城，把一個「概念」推進成可重現的實驗事實。
在第一作者呂冠箴的回憶裡，當初看到 McG 植物長成「3 倍大」的那一瞬，眾人忍不住齊聲驚呼「哇」。接著又歷經兩年投稿、追加實驗與回覆審查的漫長路，才把論文錘鍊至成熟。這段心路，也替成果添上一層人味與溫度。
後記
簡單說，這項成果就是在植物體內裝上一個第二套「固碳引擎」：研究團隊以合成生物學（Synthetic Biology）設計出「McG 循環」（McG cycle），與原生的「卡爾文循環」（Calvin cycle）並行，形成「雙固碳系統（Dual-cycle CO₂ fixation）」。於是，植物固定二氧化碳的效率提升約 50%，生長量增加 2 至 3 倍，連油脂合成也明顯上揚——像是把一台車從單引擎升級為雙引擎，跑得更快、更省更穩。
將「雙固碳系統」視為碳流代謝工程（Carbon Flux Engineering）的一次里程碑，並不為過。它並非取代自然，而是與自然協作：在卡爾文循環旁再架一套人工設計的碳固定迴路，以更少損失、更高轉換應對光呼吸與脂質生成的二氧化碳逸散。這種「架橋式創新」，使得阿拉伯芥能在相同資源下產出更多生物量與脂質，其背後原理與數據，已在《科學》論文中給出完整證據脈絡。
值得注意的是，這並非「一夕之功」。團隊早在十餘年前即啟動思索，並在 2013 年首度以「非氧化性醣解」挑戰代謝網路的天花板，如今再把碳固定這塊最硬的骨頭「設計式重構」。在碳中和與糧食安全兩大議題升溫的今日，這種從基礎代謝出發的策略，能否化為作物田間的可複製性狀，是下一階段的關鍵考題。
然而，科學界與社會大眾關心的不僅是效率，還包括安全性與可持續性。研究團隊已明確指出，需評估性狀穩定性、環境影響，並盡可能以基因編輯取代基因轉殖，以提升可接受度與規模化潛力；同時，如何在稻米、蕃茄、蘭花等經濟作物上穩定重現，也牽動產業化時間表。千里之行，始於足下，每一步都要走得既快且穩。
這篇研究的關鍵不是「改良一個基因」而是「加一個循環」，讓植物在原有代謝骨架上雙軌並行，漏氣少、轉得快、長得多。它是一個基礎科學的新工具，也是未來作物與生質能源的可能藍圖，但距離大規模應用還需要時間與驗證——欲速則不達，但方向已定。
公開論文題為〈Dual-cycle CO₂ fixation enhances growth and lipid synthesis in Arabidopsis thaliana〉，已於 Science 網站公開。
