康奈爾大學的一名研究人員和她的同事們已經解決了顯著提高植物生產力和增加碳封存所需的分子難題的一個關鍵部分：他們成功地將一種高效紅藻的關鍵區域轉移到煙草植物中，利用細菌作為媒介。

該研究由農業與生命科學學院綜合植物科學學院植物生物學部門助理教授Laura Gunn共同撰寫，并在6月8日的《自然植物》雜志上刊登了封面。

這項研究以Rubisco為中心，它是地球上所有生態系統中含量最多的蛋白質。Rubisco通過固定碳來完成光合作用的第一步，它以各種形式出現在廣泛的生物體中，包括植物、紅色和綠色藻類以及細菌。Rubisco反應緩慢，很難區分氧氣和二氧化碳，這是Gunn和其他幾位康奈爾人正在研究的問題。因此，Rubisco經常限制植物生長和作物產量。

一種紅藻，Griffithsia monilis (Gm)，含有Rubisco，其固定碳的效率比其他生物(包括陸地作物)中的Rubisco高30%。至少20年來，科學家們一直對將高效的GmRubisco移植到水稻、小麥、大豆和煙草等植物中以提高產量感興趣;然而，直到現在，還沒有人能夠成功地誘導植物表達它。Gunn說，這是因為Rubisco需要多種“伴侶”，這些“伴侶”是蛋白質折疊、組裝和活躍所必需的——煙草植物中有7種這樣的幫手——而紅藻中的大多數伴侶是未知的。

在他們的研究中，Gunn和她的合著者能夠解決GmRubisco的3D結構，并利用這些信息成功地將球形紅桿菌(RsRubisco)的少量區域嫁接到細菌Rubisco中。

“RsRubisco效率不高，但它與GmRubisco非常接近——它們就像表兄弟——這意味著與陸地植物的Rubisco不同，它接受嫁接序列，”Gunn說。“RsRubisco也不需要任何特殊的伴侶來折疊和組裝陸地植物。”

這一變化使羧基化速率(Rubisco開始碳固定過程的速度)提高了60%，羧基化效率提高了22%，RsRubisco區分二氧化碳和氧氣的能力提高了7%。然后，作者將他們的細菌突變體移植到煙草中，與未經改變的RsRubisco種植的煙草相比，它的光合作用和植物生長增加了一倍。Gunn說，煙草是最容易操縱Rubisco的陸地植物，因此可以作為開發更有效的Rubisco的試驗案例，這種Rubisco可以轉移到更多農藝學相關的物種上。

Gunn說:“我們還沒有達到超越野生型煙草的地步，但我們正走在正確的軌道上。”“我們只需要對Rubisco性能進行相當適度的改進，因為在整個生長季節中，即使是非常小的提高也會導致植物生長和產量的巨大變化，并且潛在的應用跨越許多領域:更高的農業生產;更高效、更實惠的生物燃料生產;固碳方法;以及人工能源的可能性。”

這項研究得到了澳大利亞研究委員會轉化光合作用卓越中心、Formas未來研究領導者和歐洲區域發展基金的支持。

Krisy Gashler是農業與生命科學學院的自由撰稿人。