华中农大博士后发表论文：在植物Rubisco遗传改良方面取得新进展

展源 2022-12-12

近日，华中农业大学生命科学技术学院、作物遗传改良全国重点实验林拥军教授团队联合英国利物浦大学刘鲁宁教授科研团队在利用细菌快速Rubisco优化高等植物光合作用领域取得新进展。相关研究结果以“Producing fast and active Rubisco in tobacco to enhance photosynthesis”为题在线发表在国际期刊The Plant Cell。华中农业大学生命科学技术学院博士后陈太钰博士为本文第一作者，作物遗传改良全国重点实验林拥军教授和英国利物浦大学刘鲁宁教授为该论文通讯作者。

陈太钰博士博士和博士后期间一直聚焦于植物光合作用遗传改良。2018-2022年，先后受中国博士后基金国际交流项目派出计划和the Leverhulme Trust (英国)的资助，在利物浦大学刘鲁宁教授课题组从事学术研究。华中农业大学生命科学技术学院周菲副教授，伦敦帝国理工学院（Imperial College London）Peter J. Nixon教授课题组和英国艾塞克斯大学（University of Essex）Tracy Lawson教授课题组也参与了该研究。华中农业大学为该研究的第一完成单位，项目得到了the Leverhulme Trust (英国)、中国博士后基金、转基因专项、合成生物学专项和国家自然科学基金等项目的资助。

1, 5-2-磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(Rubisco, Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase) 介导着植物光合作用过程中CO2的初始固定。植物Rubisco的催化速率极低且不能有效区别CO2和O2，当其以O2为底物时，将导致光合产物的严重流失(光呼吸)。

为了克服这些缺陷，光合生物进化出各种二氧化碳浓缩机制（CO2-concentrating mechanisms，CCMs）来提升Rubisco活性位点周围的CO2浓度来抑制其氧化活性。其中，蓝细菌和部分变形菌进化出以羧酶体（Carboxysome, CB）为核心的二氧化碳浓缩机制。羧酶体是由壳蛋白和内核组成的类似于病毒颗粒的蛋白质复合物，其中Rubisco和碳酸酐酶（carbonic anhydrases，CA）被壳蛋白包裹在羧酶体中。羧酶体壳蛋白对碳酸氢根具有选择性通透性，而对CO2和O2具有天然的屏蔽作用。碳酸氢根在进入羧酶体后在碳酸酐酶的催化下生成CO2，后者进而被Rubisco固定。这样，羧酶体在其内部给Rubisco营造出一个高浓度CO2和低浓度O2的环境，抑制其氧化活性。

同时，结合快速Rubisco和高效的无机碳转运系统，光合细菌具有高效的CO2固定效率，每年贡献了约全球25%的碳固定。但是大部分作物并没有类似的CCM，在作物中引入高效Rubisco及其CCM将从源头上增加作物产量。然而Rubisco的表达与组装需要众多伴侣蛋白的参与，涉及复杂的装配过程。虽然已有多个在植物叶绿体中表达外源Rubisco的报道，但是外源Rubisco在转基因植物叶绿体的组装效率极低，Rubisco的产量只有野生型植物的10%左右，同时转基因植株比野生型植株生长更慢。如何突破高速率Rubisco在植物中的表达与组装是利用细菌羧酶体提升作物光合作用的关键。

作者通过筛选不同来源的快速Rubisco，最终发现Halothiobacillus neapolitanus来源Rubisco（催化速率是植物Rubisco的3-4倍）在大肠杆菌和烟草叶绿体中表达与组装均不依赖任何额外伴侣蛋白。转基因植株的Rubisco含量达到野生型的40%，且在1% CO2浓度下表现出和野生型植株一样的生长速率。成功且高效组装快速Rubisco是细菌CCM在高等植物中利用的前提，本研究结果在利用快速、高活性的 Rubisco及其CCM 以改善作物光合作用和生长的方向迈出了重要的一步。

文章链接：https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koac348/6873962

文章来源：植物微生物最前线

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