【论文故事】转基因烟草,向提高光合作用效率迈出第一步

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加强绿色植物的光合作用效率一直是不少科学家和工程师的目标。袁隆平先生曾设想过[1],把玉米等C4植物的相关基因转到水稻上,从而增强它的光合作用效率——无独有偶,美国康奈尔大学的研究团队9月18日在《自然》杂志上发表了快报[2],通过基因工程的手段将细长集球藻(Synechococcus elongatus)中的1,5-二磷酸核酮糖羧化酶(RuBisCo)替换掉了烟草(Nicotiana tabacum)原有的RuBisCo,为进一步引入蓝细菌的二氧化碳富集机制,提高作物产量打下了基础。果壳网就此对论文的第一作者密林(Myat Lin)进行了采访。

作为利用太阳能的主力,绿色植物通过光合作用为生物圈源源不断地输送能量,固定二氧化碳。光合作用主要分为两步:光反应将光能固定为高能化学键,同时产生氧气;暗反应则利用这些高能键,将二氧化碳固定为糖。在暗反应中,最为关键的酶便是核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(RuBisCo)了——它是将二氧化碳固定下来的第一步,几乎能决定整个光合作用的效率。不过讽刺的是,这个光合作用中酶却耐受不了氧气;在氧气浓度过高时,它会将自己的底物氧化(而不是羧化),让光合作用的效率大打折扣。

在光合作用中,RuBisCo是固定二氧化碳最关键的环节。它的底物是1,5-二磷酸核酮糖(RuBP),RuBisCo能够结合二氧化碳将其羧化,也能结合氧气将其氧化。图片来源:cnx.org

这又是演化给我们带来的麻烦——由于第一个能固定无机碳的生物生活在海底热液区的无氧环境下,利用化学能固碳,随之出现的固碳分子自然不必耐受氧气。直到它们其中有些不小心游荡到了原始海洋的表面,才开始慢慢发掘阳光的美好,开始用水的光解代替原先供能的化学反应。而这个时候,原始的固碳酶已经有了自己的代谢路径,演化才懒得从头“发明”一个耐氧的版本,便将就着这个版本加些补丁继续用了——毕竟还能凑合。

可是研究者们可不想继续在不到10%上[3]凑合。光合作用效率不仅有足够的提升空间,而且其提升意义重大。他们想到了蓝细菌(Cyanobacteria)。这些单细胞的原核生物不仅和叶绿体们共享一个祖先,更能够独立进行全套光合作用,而且还具有一套轻便的二氧化碳富集机制(CO2-concentratin mechanism,CCM)。 “现在认为蓝细菌的固碳效率更高是因为这套二氧化碳富集机制。”密林告诉果壳网,“这其中包括多种无机碳的运输蛋白和叫做羧酶体(carboxysome)的细菌微房室(microcompartment)。羧酶体中包裹着RuBisCo和碳酸酐酶,在它内部,底物(二氧化碳)浓度增加, RuBisCo的光呼吸强度随之降低。这虽然会让蓝细菌的RuBisCo对二氧化碳的亲和力略下降,但同时催化效率却可大大提升。”密林还表示,这项工程相比将C3植物改造成C4,更有操作性。“C4植物中的二氧化碳富集机制要求两种不同细胞(即叶肉细胞和维管束鞘细胞)的配合,与此不同,蓝细菌中的完整富集机制则有可能被整合入叶绿体。”

这个研究组便利用了经典模式生物细长集球藻PCC7942菌株(Se7942)基因组中的RuBisCo。“我们想到这个蓝细菌是因为,它是研究光合作用的模式细菌之一。”密林介绍道,“它的RuBisCo组装和二氧化碳富集机制是所有光合细菌中研究得最彻底的。”除了RuBisCo本身的基因之外,他们还一同锁定了另外两个分子伴侣,RbX和CcmM35。“RbX能够帮助蓝细菌的RuBisCo组装。”密林说,“最近其他课题组的研究表明,CcmM35对于RuBisCo在羧酶体中的组装很重要。”

烟草植株中转入的重组RuBisCo在高浓度二氧化碳当量下比野生植株的催化效率高出许多。图片来源:研究论文

要将这些基因转到烟草里,做起来可远不如说起来那么简单,前人的尝试几乎都没成功。要将新的基因转入,首先得将“原配”基因从烟草和它的叶绿体基因组中给敲除掉。研究人员用基因枪将设计好的基因片段打入烟草叶绿体,等待它们将老片段“替换”掉了之后,用专门的培养基筛选出只含有这种叶绿体的烟草细胞,再通过组织培养最终获得成品。密林向我们解释道:“改善RuBisCo最难的地方在于这个蛋白的各个亚基,尤其是大亚基的折叠,以及让其组装成有功能的复合体。在植物中,这个更加具有挑战性,因为小亚基是从细胞核表达的,需要运输到叶绿体与大亚基进行组装。相比起先前的工作,我们目前掌握了更多关于蓝藻RuBisCo组装的信息。”

这个团队的一系列努力最终取得了阶段性成功:不仅这些基因在新的地方能够表达,在电镜下也能看见这些蛋白在叶绿体中组装成了与细长集球藻中类似的功能单位。“我们在CcmM35转化体中观测到了类似的组装。这意味着,如果我们能够成功地在叶绿体中构建出羧酶体,蓝细菌的RuBisCo是有可能被封装入羧酶体的。”密林表示。

a. 6周大的野生型烟草;b、c. 6周大的转基因烟草;d、e. 10周大的转基因烟草。图片来源:研究论文

同时,因为蓝细菌的RuBisCo结合二氧化碳的能力弱于绿色植物的,接受了新叶绿体的植株起初长势并不如野生植株(上图)。“我们预料到了这些转入新叶绿体的植株会比野生型长势差,因为这些植物还不具备完善的二氧化碳富集机制。”密林向我们解释道,“于是,这些植株中的光呼吸水平会更高,光合效率因而更低。”不过,这已足够表明,转进去的工程叶绿体已经能够发挥光合作用的功能。并且,这些重组RuBisCo的固碳效率在高二氧化碳浓度下远高于原来的RuBisCo,展露出了大大的潜能。

论文作者表示,换掉RuBisCo只是第一步。以此为基础,他们想逐步将蓝藻中的二氧化碳富集机制复制到高等植物中,以提高它们对二氧化碳的利用率,增加产量,这对未来的农业发展和环境变化都是一记福音。“我们将来会加入蓝细菌二氧化碳富集机制中的其他组分,届时,这些植株将有望比野生植株长得更旺盛。” 密林对此满怀憧憬。(编辑:球藻怪)

参考文献:

  1. http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2012/1/258258-3.shtm
  2. Myat T. Lin etc al.  A faster RuBisCo with potential to increase photosynthesis in crops doi:10.1038/nature13776 
  3. Miyamoto K. Chapter 1 – Biological energy production. Renewable biological systems for alternative sustainable energy production (FAO Agricultural Services Bulletin – 128). Food and Agriculture Organization of the United Nations.

文章题图:imperialtobaccoscience.com

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