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成功提高光合二氧化碳固定酶Rubisco的催化活性

由深山浩史副教授(神户大学,农学研究科)和松村弘吉教授(立命馆大学)等组成的研究小组。已成功地大大提高了Rubisco的催化活性,Rubisco是固定植物光合作用中CO 2中碳的酶。研究小组还基于蛋白质的结构分析,推测了决定Rubisco催化活性的机理。希望将来,提高农作物的光合能力将导致单产的增加。这些结果已于8月31日发表在国际科学杂志《分子植物》上。

植物的生长速度主要取决于光合作用能力。因此,改善农作物的光合作用可以增加其产量。在光合作用中,Rubisco是一种酶,可充当将CO 2转化为有机碳的反应的初始催化剂。但是,Rubisco具有限制光合作用的两个主要缺点:它的催化活性非常低,并且可以被O 2抑制(即Rubisco会错误地固定在O 2分子而不是CO 2分子上,从而产生了需要由工厂回收)。

Rubisco的催化活性取决于植物类型。大多数主要农作物,例如水稻,小麦和大豆,都是使用常规光合作用的C 3植物。另一方面,C 4植物,例如玉米和甘蔗,已经获得了浓缩CO 2的机制(C 4光合作用途径)。

在C 3植物中,催化速率低,而在C 4植物中,催化速率往往较高。加氧酶具有高催化活性趋于被氧容易抑制,因此它不能有效地发挥作用在大气条件下在有CO的低浓度2如果植物不具有CO 2 -concentrating机制。但是,随着大气中CO 2含量的持续增加,据信如果C 3植物具有与C 4植物相同的高活性类型的Rubisco,则可以利用它来提高光合能力。

Rubisco由蛋白质的两种类型组成-大亚基(RbcL)和小亚基(RbcS)。RbcS 中的氨基酸序列在物种之间差异很大。该团队一直致力于进行RbcS研究。他们通过从C 4植物高粱中转移RbcS对大米(一种C 3植物)进行了转基因,成功地将大米Rubisco的催化速率提高了1.5倍。插入高粱RbcS的水稻(SS系)从高粱RbcS和水稻RbcS产生嵌合体形式的Rubisco。接下来,使用CRISPR / Cas9基因编辑在掺入高​​粱RbcS的水稻植株中敲除水稻RbcS基因。

在这个CSS品系中(高粱RbcS转移/大米RbcS被剔除),水稻RbcS被高粱RbcS完全替代,产生了杂交Rubisco。这使催化速率大约增加了一倍,达到了相当于C 4植物的催化速率。尽管许多研究人员已经能够改善Rubisco的催化特性,但尚无任何实例表明可实现如此大的提高。此外,在高CO 2条件下,CSS系植物显示出比未修饰(野生型)水稻更高的光合速率,即使其叶片中Rubisco的含量减少了30%以上。

随后,研究人员进行了X射线晶体学分析,以阐明高粱RbcS增加Rubisco催化活性的机理。RbcL存在于Rubisco的催化部位。在该催化位点附近,有一个称为RbcSβC的结构。在βC中发现的102个氨基酸是水稻中的异亮氨酸和高粱中的亮氨酸。亮氨酸的分子比异亮氨酸的分子小。因此,认为在高粱 RbcS中,氨基酸分子之间的间隙变大,反应位点变得更柔软,从而增加了催化活性。尽管有必要进行进一步的研究来证明这一点,但它被认为是Rubisco研究之前从未提出过的突破性理论。

这项研究生产的CSS品系显示出高的光合作用能力,但是农作物的产量并未提高。希望通过适当控制Rubisco的含量,可以大大改善植物的生长和生产力。

当前的研究使用的是C 3植物水稻,但是至关重要的是考虑这种方法的应用,并研究是否可以使用相同的策略来提高Rubisco在其他主要农作物(例如小麦,大豆和马铃薯)中的催化活性。

认为102氨基酸是催化活性的重要决定因素。正在对此进行进一步的研究;例如通过仅用另一种氨基酸替换102位上的氨基酸并产生Rubisco。

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