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，這些糖類可促進生長，發(fā)育以及作物的產(chǎn)量。藻類進化出專門的二氧化碳濃縮機制(CCM)，比植物更有效地進行光合作用。本周，在美國國家科學院院刊中，來自路易斯安那州立大學(LSU)和約克大學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重?！?/span>
在伊利諾伊大學的帶領(lǐng)下，RIPE是一項國際研究項目，通過比爾和梅林達蓋茨基金會，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散穿過細胞膜，但碳酸氫鹽(HCO3-)由于其負電荷而擴散約50,000倍。綠藻Chlamydomonas reinhardtii，綽號Chlamy，將碳酸氫鹽跨三個細胞膜轉(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入pyrenoid的門檻，”Ananya Mukherjee說道，他在加入內(nèi)布拉斯加大學林肯分校擔任博士后研究員之前曾在路易斯安那州立大學擔任研究生?！岸嗄陙?，我們試圖找到缺失的成分，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，例如藍細菌或硅藻，”約克的講師Luke Mackinder說道。 RIPE團隊在此工作的支持下，得到了生物技術(shù)與生物科學研究委員會(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)運蛋白可以將細胞外的碳酸氫鹽轉(zhuǎn)移到作物葉細胞中的這種羧基結(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重，”莫羅尼說?！澳軌蚋行У剡M行光合作用的氣候變化作物的開發(fā)對于保護我們的糧食安全至關(guān)重要?！?/span>
實現(xiàn)提高光合效率(RIPE)是工程主食作物，在比爾和梅林達蓋茨基金會，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。