Nature：光合作用還可以更上一層樓
日期：2014-09-19 09:03:29
植物和藻類通過光合作用，在可見光的照射下，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物并釋放出氧氣。這個(gè)精妙的過程對(duì)于生物界的幾乎所有生物來說都是至關(guān)重要和不可或缺的。
現(xiàn)在科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，許多植物的光合作用還可以更上一層樓。他們通過基因工程，構(gòu)建了能夠更快轉(zhuǎn)化二氧化碳的煙草，這是提高農(nóng)作物光合作用效率的重要一步。
隨著世界人口的不斷膨脹，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量日益緊迫。這項(xiàng)研究克服了限制作物產(chǎn)量的一個(gè)巨大障礙，相關(guān)論文發(fā)表在九月十八日的Nature雜志上。
Rubisco是光合作用中決定碳同化速率的關(guān)鍵酶，人們一直希望通過靶標(biāo)這種酶來提高作物產(chǎn)量。Rubisco是世界上豐度最高的蛋白之一，占葉片可溶性蛋白的一半。植物生產(chǎn)這么多Rubisco是為了補(bǔ)償它較低的催化效率。有人估計(jì)，改良Rubisco和提高周圍二氧化碳濃度，可以將水稻和小麥的產(chǎn)量提高60%。
康奈爾大學(xué)的植物遺傳學(xué)家Maureen Hanson決定借用一種更快的Rubisco酶，這種酶來自于藍(lán)藻（Synechococcus elongatus）。
研究團(tuán)隊(duì)將細(xì)菌Rubisco基因引入煙草（Nicotiana tabacum）的葉綠體基因組，葉綠體是負(fù)責(zé)光合作用的細(xì)胞器，而煙草是基因工程研究常用的模式生物。研究人員構(gòu)建了兩種煙草，一種具有細(xì)菌Rubisco和相應(yīng)分子伴侶（幫助Rubisco正確折疊），另一種具有細(xì)菌Rubisco和為其提供結(jié)構(gòu)支持的蛋白。研究顯示，這兩種煙草都能利用細(xì)菌Rubisco進(jìn)行光合作用，其種的Rubisco比普通煙草少，而碳同化速度比普通煙草快。
盡管細(xì)菌Rubisco比煙草Rubisco快，但它也更容易與氧反應(yīng)，造成能量浪費(fèi)。為了解決這個(gè)問題，細(xì)菌演化出了被稱為羧酶體的特殊結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以為Rubisco創(chuàng)造富含CO2的環(huán)境。
由于羧酶體缺失，目前Hanson構(gòu)建的煙草必須生長(zhǎng)在人工環(huán)境下，以便維持高濃度的CO2。不過，這個(gè)問題應(yīng)該很快就能得到解決。六月份，Hanson團(tuán)隊(duì)已經(jīng)構(gòu)建了能生成類似羧酶體結(jié)構(gòu)的煙草。下一步，是將這一技術(shù)應(yīng)用到擁有細(xì)菌Rubisco的煙草中。
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