改造光合作用新突破：科学家们复活了一种古老的酶

康奈尔大学(Cornell University)的一项研究描述了在改善某些作物光合作用方面的突破，朝着使植物适应迅速的气候变化和提高产量以养活2050年预计将达到的90亿人口迈出了一步。

　　

康奈尔大学的一项研究描述了在寻求改善某些作物光合作用方面的突破，朝着使植物适应快速的气候变化和增加产量以养活2050年预计的90亿人口迈出了一步。

这项名为“通过复活茄科植物的祖先来提高Rubisco的效率”的研究发表在4月15日的《Science Advances》杂志上。作者是农业和生命科学学院的植物分子生物学教授Maureen Hanson。第一作者Myat Lin是Hanson实验室的博士后研究员。

作者开发了一种计算技术来预测产生Rubisco的有利基因序列，Rubisco是光合作用的关键植物酶。这项技术使科学家们能够识别出有希望的候选酶，这些酶可以被改造成现代作物，最终使光合作用更有效并增加作物产量。

他们的方法依赖于进化史，研究人员从2000 - 3000万年前就预测到了Rubisco基因，当时地球的二氧化碳水平比现在高，植物中的Rubisco酶适应了这个水平。

通过恢复古老的Rubisco，早期的研究结果显示有希望开发更快、更高效的Rubisco酶，将其应用到农作物中，并帮助它们适应未来炎热、干燥的条件，因为人类活动正在增加地球大气中吸热的二氧化碳气体的浓度。

这项研究描述了98种Rubisco酶在茄科植物进化史的关键时刻的预测，包括番茄、辣椒、土豆、茄子和烟草。研究人员利用烟草作为Rubisco研究的实验模型。

Hanson说:“我们能够识别出预测的祖先酶，它们确实比现在的酶具有更好的质量。”Lin开发了一种新技术来识别预测的古代Rubisco酶。

科学家们已经知道，它们可以通过加速光合作用来提高作物产量。在光合作用中，植物将二氧化碳、水和光转化为氧气和糖，用于提供能量和构建新的组织。

多年来，研究人员一直专注于Rubisco，这是一种从二氧化碳中提取(或固定)碳以生成糖的慢速酶。除了速度慢，Rubisco有时也会与空气中的氧气催化反应;这样做会产生一种有毒的副产品，浪费能源，使光合作用效率低下。

Hanson的实验室之前曾尝试使用蓝藻中的Rubisco，它速度更快，但也很容易与氧气反应，迫使研究人员试图创造微区来保护酶免受氧气的伤害，结果不一。其他研究人员试图通过改变Rubisco的氨基酸来设计更优的Rubisco，尽管很少有人知道哪些改变会导致预期的结果。

在这项研究中，Lin用茄科植物重建了Rubisco的系统发育——一个显示生物群体进化关系的树状图。

Hanson说:“通过获得现有植物中Rubisco的很多基因序列，可以构建一个系统发育树，以确定哪些Rubisco可能存在于2000万到3000万年前。”

识别潜在的古代Rubisco序列的优势在于，在2500万到5000万年前，大气中的二氧化碳含量可能高达百万分之500到800。今天，由于许多人类活动，吸热的二氧化碳水平正在急剧上升，目前的测量值约为百万分之420，此前数十万年一直相对稳定地保持在百万分之300以下，直到20世纪50年代。

他们随后使用了Hanson实验室为烟草开发的实验系统，并在2020年《自然植物》(Nature Plants)的一篇论文中描述了该系统，该系统使用大肠杆菌在一天内测试不同版本的Rubisco的功效。在工厂进行的类似试验需要数月才能验证。

研究小组发现，从现代茄科植物中预测的古代Rubisco酶显示出了更有效的希望。

Hanson说:“下一步，我们想要用这些祖先序列替换烟草中现有的Rubisco酶的基因，使用CRISPR[基因编辑]技术，然后测量它如何影响生物量的生产。我们当然希望我们的实验能表明，通过让Rubisco适应目前的条件，我们将得到产量更高的植物。”

如果他们的方法被证明是成功的，这些有效的Rubisco序列可以被转移到像西红柿这样的作物，以及像大豆和水稻这样的其他植物家族。

Improving the efficiency of Rubisco by resurrecting its ancestors in the family Solanaceae