康奈爾大學(xué)的一名研究人員和她的同事們已經(jīng)解決了顯著提高植物生產(chǎn)力和增加碳封存所需的分子難題的一個關(guān)鍵部分：他們成功地將一種高效紅藻的關(guān)鍵區(qū)域轉(zhuǎn)移到煙草植物中，利用細菌作為媒介。

該研究由農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)學(xué)院綜合植物科學(xué)學(xué)院植物生物學(xué)部門助理教授Laura Gunn共同撰寫，并在6月8日的《自然植物》雜志上刊登了封面。

這項研究以Rubisco為中心，它是地球上所有生態(tài)系統(tǒng)中含量最多的蛋白質(zhì)。Rubisco通過固定碳來完成光合作用的第一步，它以各種形式出現(xiàn)在廣泛的生物體中，包括植物、紅色和綠色藻類以及細菌。Rubisco反應(yīng)緩慢，很難區(qū)分氧氣和二氧化碳，這是Gunn和其他幾位康奈爾人正在研究的問題。因此，Rubisco經(jīng)常限制植物生長和作物產(chǎn)量。

一種紅藻，Griffithsia monilis (Gm)，含有Rubisco，其固定碳的效率比其他生物(包括陸地作物)中的Rubisco高30%。至少20年來，科學(xué)家們一直對將高效的GmRubisco移植到水稻、小麥、大豆和煙草等植物中以提高產(chǎn)量感興趣;然而，直到現(xiàn)在，還沒有人能夠成功地誘導(dǎo)植物表達它。Gunn說，這是因為Rubisco需要多種“伴侶”，這些“伴侶”是蛋白質(zhì)折疊、組裝和活躍所必需的——煙草植物中有7種這樣的幫手——而紅藻中的大多數(shù)伴侶是未知的。

在他們的研究中，Gunn和她的合著者能夠解決GmRubisco的3D結(jié)構(gòu)，并利用這些信息成功地將球形紅桿菌(RsRubisco)的少量區(qū)域嫁接到細菌Rubisco中。

“RsRubisco效率不高，但它與GmRubisco非常接近——它們就像表兄弟——這意味著與陸地植物的Rubisco不同，它接受嫁接序列，”Gunn說。“RsRubisco也不需要任何特殊的伴侶來折疊和組裝陸地植物。”

這一變化使羧基化速率(Rubisco開始碳固定過程的速度)提高了60%，羧基化效率提高了22%，RsRubisco區(qū)分二氧化碳和氧氣的能力提高了7%。然后，作者將他們的細菌突變體移植到煙草中，與未經(jīng)改變的RsRubisco種植的煙草相比，它的光合作用和植物生長增加了一倍。Gunn說，煙草是最容易操縱Rubisco的陸地植物，因此可以作為開發(fā)更有效的Rubisco的試驗案例，這種Rubisco可以轉(zhuǎn)移到更多農(nóng)藝學(xué)相關(guān)的物種上。

Gunn說:“我們還沒有達到超越野生型煙草的地步，但我們正走在正確的軌道上。”“我們只需要對Rubisco性能進行相當(dāng)適度的改進，因為在整個生長季節(jié)中，即使是非常小的提高也會導(dǎo)致植物生長和產(chǎn)量的巨大變化，并且潛在的應(yīng)用跨越許多領(lǐng)域:更高的農(nóng)業(yè)生產(chǎn);更高效、更實惠的生物燃料生產(chǎn);固碳方法;以及人工能源的可能性。”

這項研究得到了澳大利亞研究委員會轉(zhuǎn)化光合作用卓越中心、Formas未來研究領(lǐng)導(dǎo)者和歐洲區(qū)域發(fā)展基金的支持。

Krisy Gashler是農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)學(xué)院的自由撰稿人。