|
10月1日，美国纽约伊萨卡博伊斯汤普森研究小组（Boyce Thompson Institute, Ithaca, New York, USA）在《自然》杂志子刊《自然-植物》上发表论文表示，可以通过靶向Rubisco酶来提高玉米的光合生产力。 由于动物不能直接利用大气中的二氧化碳（CO2），因此植物通过光合作用产生的有机物不仅供植物使用，动物也可以通过食用植物而得到有机物。这使得植物的光合生产力显得极为重要。 Rubisco酶，全名核酮糖二磷酸缩化酶，大量存在于植物细胞的叶绿体中，是光合作用中限速步骤的催化剂，也是光合作用中的主要酶，帮助植物在自然界中将碳固定化，即将碳从CO2的形态转变成葡萄糖等有机物的形态。 玉米则是全球性的重要粮食作物之一，其年种植量比水稻和小麦多。在澳大利亚，玉米是所有大田作物中地理分布最广的作物，也是重要的粮食和生物燃料，但其产量与小麦或水稻相比却并不大。 由于Rubisco酶的转换周期较长，科学家们一直希望能够对此做出改进。而改变Rubisco酶催化特性的一种方法是增加其在四碳植物叶绿体中的丰度，这将会增强Rubisco酶活力，并获得更高的碳同化率。 碳同化是指植物利用光反应中形成的同化力（ATP和NADPH），将CO2转化为碳水化合物的过程。碳同化率越高，表示该植物光合作用的效率越高。 “玉米中所含的Rubisco酶是最高效的Rubisco活化酶之一，它们可以利用较少的氮完成反应。如果我们增加玉米中的Rubisco酶含量，会对植物有什么作用？我们发现通过促进玉米细胞内Rubisco酶的增加，作物生产力得到了提高。”美国康奈尔大学附属博伊斯汤普森研究所的联合研究员大卫·斯特恩（David Stern）说。 该研究小组通过Rubisco装配伴侣蛋白RAF1对Rubisco酶大亚基抗体（LS）和Rubisco酶小亚基抗体（SS）进行过表达。虽然LS和SS的过表达对Rubisco酶的含量变化没有具体影响，但添加的伴侣蛋白RAF1使得Rubisco酶的含量增加超过30%。通过气体交换，UBI-LSSS-RAF1型转基因玉米的碳同化增加了15%。 “我们认为这将有利于玉米的生长，并提高玉米对极端成长环境的容忍度。”澳国立ARC转化光合作用杰出中心、研究小组组长罗伯特·沙伍德（Robert Sharwood）表示。 地球上的每一株植物都利用光合作用从大气中获取二氧化碳，但并非都以相同的途径获取到二氧化碳。像小麦和水稻这样的植物使用的是传统而低效的C3光合作用途径（即三碳植物），而其他如玉米和高粱等则使用的是更为有效的C4光合途径（即四碳植物）。 相比三碳植物，Rubisco酶在四碳植物中的工作效率更高。同时四碳植物能利用强日光提高自身在强光、高温下的光合速率，干旱时还可以收缩部分气孔孔径，减少蒸腾失水，因此四碳植物能有效提高水分的利用率。这些特性在干热地区有明显的选择优势，而研究人员预计在未来几十年里，干燥和炎热，将成为植物生存的普遍环境条件。 “我们能预期到的气候变化，都会对全球粮食安全产生更大的威胁，”沙伍德表示，“这使得我们对高生产力、高适应力的农作物的需求迫在眉睫。” 原文链接：https://www./articles/s41477-018-0252-4 Abstract： Rubisco catalyses a rate-limiting step in photosynthesis and has long been a target for improvement due to its slow turnover rate. An alternative to modifying catalytic properties of Rubisco is to increase its abundance within C4 plant chloroplasts, which might increase activity and confer a higher carbon assimilation rate. Here, we overexpress the Rubisco large (LS) and small (SS) subunits with the Rubisco assembly chaperone RUBISCO ASSEMBLY FACTOR 1 (RAF1). While overexpression of LS and/or SS had no discernable impact on Rubisco content, addition of RAF1 overexpression resulted in a >30% increase in Rubisco content. Gas exchange showed a 15% increase in CO2 assimilation (ASAT) in UBI-LSSS-RAF1 transgenic plants, which correlated with increased fresh weight and in vitro Vcmax calculations. The divergence of Rubisco content and assimilation could be accounted for by the Rubisco activation state, which decreased up to 23%, suggesting that Rubisco activase may be limiting Vcmax, and impinging on the realization of photosynthetic potential from increased Rubisco content. |
|
|
