提高作物光合作用和产量

为了满足预计的90亿人,到2050年,农民需要更多的粮食增长50%在一个有限的耕地。因此,植物科学家们在与时间赛跑,工程师与更高的收益率通过改善作物光合作用。

蓝绿色藻类(蓝藻)比大多数作物光合作用效率,因此研究人员正在努力将元素从蓝藻农作物。

一项新的研究描述了实现这一目标的重要一步。”缺乏碳酸酐酶在叶绿体影响C3植物发展但不是光合作用”,8月11日发表在《美国国家科学院院刊》上。

莫林·汉森自由海德贝利教授的植物分子生物学,是文章的资深作者。凯文·海恩斯博士”。19日,汉森前学生的实验室,和Vishal Chaudhari汉森的实验室的博士后,co-first作者。

当植物光合作用转化为二氧化碳、水和光转化为氧气和蔗糖,糖用于能源和建立新的组织。在这个过程中,二磷酸核酮糖羧化酶,酶发现在所有的植物,需要空气中的无机碳和“修复”或将其转换为一个有机植物用来构建组织形式。

一个障碍在改善作物光合作用是二磷酸核酮糖羧化酶与二氧化碳和空气中的氧气反应;后者反应产生有毒的副产品,减缓光合作用,从而降低了产量。但在蓝藻,光合作用是包含在microcompartments叫carboxysomes盾二磷酸核酮糖羧化酶的氧气。

另外carboxysome允许蓝藻集中二氧化碳所以二磷酸核酮糖羧化酶可以用它来更快的固碳作用,汉森说。“农作物没有carboxysomes,所以我们的想法是,最终把整个carbon-concentrating机制从蓝藻到农作物,”她补充道。

工程师这个系统工作在农作物,科学家必须去除碳酸酐酶,一种天然的酶,在植物细胞的叶绿体细胞器发生光合作用。这是因为脱水酶的作用是创建一个平衡二氧化碳和碳酸氢盐在植物细胞中,通过催化反应,二氧化碳和水形成碳酸氢盐,反之亦然。但为了carbon-concentrating机制从蓝藻在作物,碳酸氢系统必须达到多次发现高于均衡水平。

“所以在这项研究中,”汉森说,“我们做这一步(删除脱水酶)的需要,使carboxysome工作。”

在本文中,作者描述了使用CRISPR / Cas9基因编辑技术来禁用两个碳酸酐酶基因表达的酶存在于叶绿体。在过去,另一个研究小组使用了不同的方法去除99%的脱水酶酶的活性和植物正常生长。但当汉森和他的同事删除了100%的酶的活性植物几乎没有增长。“这表明,植物需要这种酶使碳酸氢盐的途径使组件使用的叶组织,”汉森说。

当他们把植物放进一个高二氧化碳生长室,他们恢复正常增长,大量的二氧化碳导致自发反应形成碳酸氢盐。

团队认为他们有一个变通方法去除脱水酶和仍然有足够的碳酸氢盐。在未来的研究中,最近由一项为期三年的资助,接近800000美元的美国国家科学基金会,他们计划把碳酸氢盐叶绿体膜转运体,为了从其他地区进口碳酸氢盐细胞的叶绿体。以及脱水酶不必要的、多余的碳酸氢盐有望提高光合作用之前carboxysomes可以改造成叶绿体。

实验表明,碳酸酐酶的缺失不会影响到光合作用,与之前相反的观点。

一个潜在的问题是,叶绿体中发现的碳酸酐酶是参与植物的防御通路。然而,汉森的小组的研究人员发现,他们可以把一个惰性酶版本的碳酸酐酶,仍然维持植物的防御。

“现在我们知道我们可以做一个不活跃的酶,但不会影响碳集中机制仍将允许农作物抵抗病毒,”汉森说。

这项研究是由美国国家科学基金会的合成生物学程序。

参考:海因斯公里,Chaudhari V,埃奇沃思KN,欧文斯TG,汉森先生缺乏碳酸酐酶在叶绿体影响C3植物发展但不是光合作用。《美国国家科学院刊。2021;118 (33):e2107425118。doi:10.1073 / pnas.2107425118。

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