嫁接藻类蛋白质在烟草植物的生长

康奈尔大学的研究员和她的同事已经解决了一个关键的拼图的分子需要大大提高植物生产力和增加碳封存:他们已经成功转移的关键区域高效红藻烟草,用细菌作为中介。

的研究是由劳拉·甘恩综合植物科学学院的助理教授植物生物学部分农业与生命科学学院,并在6月8日的《自然》杂志的封面。

二磷酸核酮糖羧化酶的研究中心,地球上最丰富的蛋白质在每一个生态系统。二磷酸核酮糖羧化酶执行第一步的光合作用固定碳,和它出现在各种形式广泛的生物,包括植物,红色和绿色的藻类和细菌。二磷酸核酮糖羧化酶是缓慢而难以区分氧气和二氧化碳,耿氏和问题其他几个校友正在研究。因此,二磷酸核酮糖羧化酶通常限制植物生长和作物产量。

一种红藻,Griffithsia monilis(通用),包含二磷酸核酮糖羧化酶,30%更有效地解决碳比二磷酸核酮糖羧化酶在其他生物,包括地面作物。至少20年来,科学家们一直感兴趣的高效GmRubisco移植到植物如水稻、小麦、大豆和烟草提高生产力;然而,直到现在,还没有人能够成功地诱导植物来表达它。这是因为二磷酸核酮糖羧化酶需要多个“陪伴”至关重要的蛋白质折叠、组装和活动——有七个这样的帮手在烟草植物和大多数陪伴在红色藻类未知,耿氏说。

在他们的研究中,耿氏和她的合著者能够解决GmRubisco的三维结构和使用此信息来成功地移植一小部分地区从Rhodobacter sphaeroides (RsRubisco)细菌二磷酸核酮糖羧化酶。

“RsRubisco不是非常有效,但是它非常GmRubisco密切相关——他们就像表亲——这意味着与绘制二磷酸核酮糖羧化酶,它接受嫁接序列,“Gunn说。“RsRubisco也不需要任何特殊的陪伴它折叠和组装在陆地植物。”

改变增加了羧化作用速率-二磷酸核酮糖羧化酶的速度启动碳固定过程——60%,羧化作用的效率增加了22%和改进RsRubisco区分二氧化碳和氧气的能力7%。作者然后移植他们的细菌突变为烟草、光合作用和植物生长增加了一倍,而与一成不变的RsRubisco烟草种植。烟草是最简单的陆地植物中操纵二磷酸核酮糖羧化酶,因此作为开发更有效的测试用例二磷酸核酮糖羧化酶,它可以转移到更性状相关的物种,耿氏说。

“我们不是在我们优于野生型烟草,但是我们在正确的轨道,“Gunn说。“我们只需要相当温和改善二磷酸核酮糖羧化酶的性能,因为即使是一个很小的增加在整个生长季节会导致大量的植物生长和产量的变化,以及潜在的应用程序跨许多行业:更高的农业生产;更有效的和负担得起的生物燃料生产;碳封存方法;和人工能源的可能性。”

参考:周Y,耿氏LH、桦木R,安德森,惠特尼SM。嫁接Rhodobacter sphaeroides红藻类二磷酸核酮糖羧化酶加速催化和植物生长。Nat植物。2023;9 (6):978 - 986。doi:10.1038 / s41477 - 023 - 01436 - 7

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