光合作用是植物和藻類利用的天然過程，用于捕獲陽光并將二氧化碳固定成富含能量的糖類，這些糖類可促進(jìn)生長，發(fā)育以及作物的產(chǎn)量。藻類進(jìn)化出專門的二氧化碳濃縮機(jī)制(CCM)，比植物更有效地進(jìn)行光合作用。本周，在美國國家科學(xué)院院刊中，來自路易斯安那州立大學(xué)(LSU)和約克大學(xué)的一個小組報告了綠藻CCM的長期無法解釋的步驟 – 這是開發(fā)功能的關(guān)鍵CCM在糧食作物中提高生產(chǎn)力。
“大多數(shù)作物受到光呼吸的困擾，當(dāng)Rubisco(驅(qū)動光合作用的酶)無法區(qū)分維持生命的二氧化碳和浪費大量植物能量的氧分子時，就會發(fā)生這種情況，”Streva校友教授James Moroney說。在LSU和實現(xiàn)提高光合效率(RIPE)的成員?！白罱K，我們的目標(biāo)是在作物中設(shè)計CCM，以更多的二氧化碳包圍Rubisco，使其更有效，并且不太可能吸收氧分子 – 隨著溫度的升高，這個問題會變得更加嚴(yán)重?！?/span>
在伊利諾伊大學(xué)的帶領(lǐng)下，RIPE是一項國際研究項目，通過比爾和梅林達(dá)蓋茨基金會，美國食品和農(nóng)業(yè)研究基金會(FFAR)以及英國政府的支持，通過改善光合作用來提高作物的工作效率。國際發(fā)展部(DFID)。
盡管二氧化碳相對容易地擴(kuò)散穿過細(xì)胞膜，但碳酸氫鹽(HCO3-)由于其負(fù)電荷而擴(kuò)散約50,000倍。綠藻Chlamydomonas reinhardtii，綽號Chlamy，將碳酸氫鹽跨三個細(xì)胞膜轉(zhuǎn)移到容納Rubisco的隔室，稱為pyrenoid，其中碳酸氫鹽轉(zhuǎn)化為二氧化碳并固定成糖。
“在此之前，我們并不了解碳酸氫鹽如何越過第三個進(jìn)入pyrenoid的門檻，”Ananya Mukherjee說道，他在加入內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校擔(dān)任博士后研究員之前曾在路易斯安那州立大學(xué)擔(dān)任研究生?！岸嗄陙恚覀冊噲D找到缺失的成分，但事實證明，這一步中涉及三種轉(zhuǎn)運蛋白 – 這是我們對萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)CCM的理解中缺失的一環(huán)?！?/span>
“雖然其他轉(zhuǎn)運蛋白是已知的，但我們推測這些可以更容易與作物共享，因為Chlamy與植物的關(guān)系比其他光合藻類更密切，例如藍(lán)細(xì)菌或硅藻，”約克的講師Luke Mackinder說道。 RIPE團(tuán)隊在此工作的支持下，得到了生物技術(shù)與生物科學(xué)研究委員會(BBSRC)和Leverhulme Trust的支持。
在作物中創(chuàng)造功能性CCM將需要三件事：儲存Rubisco的隔間，將碳酸氫鹽帶入隔室的轉(zhuǎn)運蛋白，以及將碳酸氫鹽轉(zhuǎn)化為二氧化碳的碳酸酐酶。
在2018年的一項研究中，澳大利亞國立大學(xué)的RIPE同事證明他們可以在作物中添加一個叫做carboxysome的隔間，類似于pyrenoid?，F(xiàn)在，這項研究完成了可能的轉(zhuǎn)運蛋白清單，這些轉(zhuǎn)運蛋白可以將細(xì)胞外的碳酸氫鹽轉(zhuǎn)移到作物葉細(xì)胞中的這種羧基結(jié)構(gòu)中。
“我們的研究表明，在作物中創(chuàng)造功能性CCM可以幫助作物保存更多的水，并可以顯著減少作物光呼吸的能量收益過程 – 隨著溫度的升高而變得更加嚴(yán)重，”莫羅尼說。“能夠更有效地進(jìn)行光合作用的氣候變化作物的開發(fā)對于保護(hù)我們的糧食安全至關(guān)重要。”
實現(xiàn)提高光合效率(RIPE)是工程主食作物，在比爾和梅林達(dá)蓋茨基金會，美國食品和農(nóng)業(yè)研究基金會以及英國的支持下，更有效地將太陽能轉(zhuǎn)化為食物，從而可持續(xù)地增加全球糧食產(chǎn)量。政府國際發(fā)展部。