康奈尔大学研究员及其同事解开了一个关键分子难题,这将大大提高植物生产力和增加碳封存:他们成功地利用细菌作为中介,将高效红藻的关键区域转移到了烟草植物中。这项研究发表在《自然植物学》杂志封面,共同作者包括康奈尔大学农业与生命科学学院植物科学系植物生物学助理教授劳拉·冈恩。

研究重点是Rubisco,它是地球上每个生态系统中最丰富的蛋白质。Rubisco催化光合作用的第一步,固定碳。它以各种形式存在于广泛的生物中,包括植物、红藻和绿藻以及细菌。但是Rubisco的效率较低,难以区分氧气和二氧化碳,这也限制了植物的生长和产量。而一种红藻Griffithsia monilis中的Rubisco,其固定碳的效率比其他生物中的Rubisco高30%。科学家多年来一直希望能将高效的GmRubisco转移到水稻、小麦、大豆和烟草等植物中,增加其生产力。但是至今没有人成功地诱导植物表达它。

红藻Rubisco的三维结晶结构。

来源:《自然植物学》(2023)。DOI: 10.1038/s41477-023-01436-7。

因为Rubisco需要多个相关“分子伴侣”帮助其正确折叠组装。而大多数红藻中的这些“伴侣”还不明确。

本研究中,研究人员解决了GmRubisco的三维结构,并成功地将红菌Rubisco的一小部分嫁接到细菌Rubisco中。这使Rubisco的碳固定速率提高60%,碳固定效率提高22%,氧碳区分能力提高7%。然后他们将这种突变细菌Rubisco转入烟草,使烟草的光合作用和生长翻了一番。

研究人员表示,这为后续将更高效Rubisco引入农作物奠定了基础。就算优化有限,过整个生长季也会对产量影响巨大。这不仅对农业生产意义重大,还将推动生物燃料生产,以及碳封存等多方面应用。

More information: Yu Zhou et al, Grafting Rhodobacter sphaeroides with red algae Rubisco to accelerate catalysis and plant growth, Nature Plants (2023). DOI: 10.1038/s41477-023-01436-7

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