研究人员通过将藻类元素融入烟草植物中，提高了植物生产力和碳固定能力，从而显著增强光合作用和生长。
康奈尔大学农业与生命科学学院综合植物科学部的助理教授劳拉·冈恩(Laura Gunn)及其同事在提高植物生产力和增加碳固定方面取得了重大突破。他们成功地将一种高效率的红藻的关键部分融入烟草植物中，并利用细菌作为中间体。
研究人员通过将藻类元素融入烟草植物中，提高了植物生产力和碳固定能力，从而显著增强光合作用和生长。
这项研究代表了农业生产效率的重大进步，最近被刊登在《自然植物》杂志的封面上。
该研究集中在地球上所有生态系统中最丰富的蛋白质——Rubisco上(1,5-二磷酸核酮糖羧化酶／加氧酶,1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶是植物叶片中含量最丰富的蛋白质，也可能是地球上含量最多的蛋白质。鉴于它对生物圈的重要性，人们正在努力改进自然界中的1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶的功能。译者注)。Rubisco通过固定二氧化碳进行光合作用的第一步，它以各种形式出现在各种生物体中，包括植物、红绿藻和细菌。Rubisco反应迟钝，难以区分氧气和二氧化碳，这是冈恩和其他康奈尔人正在努力解决的问题。因此，Rubisco常常限制着植物的生长和产量。
一种红藻——Griffithsia monilis(Gm)含有比其他生物体(包括陆地作物)更高效的Rubisco,能固定30%的二氧化碳。科学家们至少20年来一直对将这种高效GmRubisco植入如水稻、小麦、大豆和烟草等作物中以提高其生产力感兴趣；然而，直到目前为止，没有人能够成功地诱使植物表达它。这是因为Rubisco需要多种“辅助剂”才能折叠、组装并发挥活性——烟草植物中有七种这样的助手——而红藻中的大多数辅助剂都是未知的，冈恩说。
在他们的研究中，冈恩及其合著者成功解决了GmRubisco的3D结构，并利用这些信息成功地将球形红杆菌(RsRubisco)的一小部分区域嫁接到细菌Rubisco上。
“球形红杆菌（RsRubisco）并不十分高效，但它与GmRubisco非常接近——它们就像是表亲关系——这意味着，与陆生植物中的Rubisco不同，它接受嫁接序列。”“RsRubisco也不需要任何特殊的辅助剂就能在陆生植物中折叠和组装。”
这种变化将羧化速率（Rubisco开始碳固定过程的速度）提高了60%,将羧化效率提高了22%,并将球形红杆菌RsRubisco区分二氧化碳和氧气的能力提高了7%。作者随后将他们的细菌突变体移植到烟草中，使其光合作用和生长加倍，与未改变RsRubisco的烟草相比。烟草是最适合操纵Rubisco的陆生植物，因此成为开发更高效的Rubisco以转移到更具有农学意义的物种的测试案例，冈恩说。
“我们还没有达到超越野生型烟草的程度，但我们正走在正确的轨道上。我们只需要对Rubisco性能进行适度的改进，因为即使在整个生长季节中只有很小的增长，也可能导致植物生长和产量的巨大变化，潜在应用领域包括：提高农业生产力；更有效且经济的生产生物燃料；碳固定方法；以及人工能源的可能性。”
参考：“通过嫁接红藻与细菌来加速催化和促进植物生长”由周玉、劳拉·H·冈恩、罗斯玛丽·伯奇、英格·安德森和斯宾塞·M·惠特尼于2023年6月8日发表在《自然植物》杂志上。DOI：10.1038/s41477-023-01436-7