康奈尔大学的一名研究人员和她的同事们已经解决了显著提高植物生产力和增加碳封存所需的分子难题的一个关键部分：他们成功地将一种高效红藻的关键区域转移到烟草植物中，利用细菌作为媒介。
该研究由农业与生命科学学院综合植物科学学院植物生物学部门助理教授Laura Gunn共同撰写，并在6月8日的《自然植物》杂志上刊登了封面。
这项研究以Rubisco为中心，它是地球上所有生态系统中含量最多的蛋白质。Rubisco通过固定碳来完成光合作用的第一步，它以各种形式出现在广泛的生物体中，包括植物、红色和绿色藻类以及细菌。Rubisco反应缓慢，很难区分氧气和二氧化碳，这是Gunn和其他几位康奈尔人正在研究的问题。因此，Rubisco经常限制植物生长和作物产量。
一种红藻，Griffithsia monilis (Gm)，含有Rubisco，其固定碳的效率比其他生物(包括陆地作物)中的Rubisco高30%。至少20年来，科学家们一直对将高效的GmRubisco移植到水稻、小麦、大豆和烟草等植物中以提高产量感兴趣;然而，直到现在，还没有人能够成功地诱导植物表达它。Gunn说，这是因为Rubisco需要多种“伴侣”，这些“伴侣”是蛋白质折叠、组装和活跃所必需的——烟草植物中有7种这样的帮手——而红藻中的大多数伴侣是未知的。
在他们的研究中，Gunn和她的合著者能够解决GmRubisco的3D结构，并利用这些信息成功地将球形红杆菌(RsRubisco)的少量区域嫁接到细菌Rubisco中。
“RsRubisco效率不高，但它与GmRubisco非常接近——它们就像表兄弟——这意味着与陆地植物的Rubisco不同，它接受嫁接序列，”Gunn说。“RsRubisco也不需要任何特殊的伴侣来折叠和组装陆地植物。”
这一变化使羧基化速率(Rubisco开始碳固定过程的速度)提高了60%，羧基化效率提高了22%，RsRubisco区分二氧化碳和氧气的能力提高了7%。然后，作者将他们的细菌突变体移植到烟草中，与未经改变的RsRubisco种植的烟草相比，它的光合作用和植物生长增加了一倍。Gunn说，烟草是最容易操纵Rubisco的陆地植物，因此可以作为开发更有效的Rubisco的试验案例，这种Rubisco可以转移到更多农艺学相关的物种上。
Gunn说:“我们还没有达到超越野生型烟草的地步，但我们正走在正确的轨道上。”“我们只需要对Rubisco性能进行相当适度的改进，因为在整个生长季节中，即使是非常小的提高也会导致植物生长和产量的巨大变化，并且潜在的应用跨越许多领域:更高的农业生产;更高效、更实惠的生物燃料生产;固碳方法;以及人工能源的可能性。”
这项研究得到了澳大利亚研究委员会转化光合作用卓越中心、Formas未来研究领导者和欧洲区域发展基金的支持。
Krisy Gashler是农业与生命科学学院的自由撰稿人。