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Nature:光合作用還可以更上一層樓

日期:2014-09-19 09:03:29

 

植物和藻類通過光合作用,在可見光的照射下,將二氧化碳和水轉化為有機物并釋放出氧氣。這個精妙的過程對于生物界的幾乎所有生物來說都是至關重要和不可或缺的。

 

現在科學家們發現,許多植物的光合作用還可以更上一層樓。他們通過基因工程,構建了能夠更快轉化二氧化碳的煙草,這是提高農作物光合作用效率的重要一步。

 

隨著世界人口的不斷膨脹,提高農作物的產量日益緊迫。這項研究克服了限制作物產量的一個巨大障礙,相關論文發表在九月十八日的Nature雜志上。

 

Rubisco是光合作用中決定碳同化速率的關鍵酶,人們一直希望通過靶標這種酶來提高作物產量。Rubisco是世界上豐度最高的蛋白之一,占葉片可溶性蛋白的一半。植物生產這么多Rubisco是為了補償它較低的催化效率。有人估計,改良Rubisco和提高周圍二氧化碳濃度,可以將水稻和小麥的產量提高60%

 

康奈爾大學的植物遺傳學家Maureen Hanson決定借用一種更快的Rubisco酶,這種酶來自于藍藻(Synechococcus elongatus)。

 

研究團隊將細菌Rubisco基因引入煙草(Nicotiana tabacum)的葉綠體基因組,葉綠體是負責光合作用的細胞器,而煙草是基因工程研究常用的模式生物。研究人員構建了兩種煙草,一種具有細菌Rubisco和相應分子伴侶(幫助Rubisco正確折疊),另一種具有細菌Rubisco和為其提供結構支持的蛋白。研究顯示,這兩種煙草都能利用細菌Rubisco進行光合作用,其種的Rubisco比普通煙草少,而碳同化速度比普通煙草快。

 

盡管細菌Rubisco比煙草Rubisco快,但它也更容易與氧反應,造成能量浪費。為了解決這個問題,細菌演化出了被稱為羧酶體的特殊結構,該結構可以為Rubisco創造富含CO2的環境。

 

由于羧酶體缺失,目前Hanson構建的煙草必須生長在人工環境下,以便維持高濃度的CO2。不過,這個問題應該很快就能得到解決。六月份,Hanson團隊已經構建了能生成類似羧酶體結構的煙草。下一步,是將這一技術應用到擁有細菌Rubisco的煙草中。

 


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