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《自然》子刊:基因编辑使玉米光合作用更高效,对抗气候变化

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发布时间:2018-10-04 16:09:42

 当地时间10月1日,澳大利亚国立大学(ANU)的研究小组在《自然》杂志子刊《自然-植物》上发表论文表示,可以通过靶向Rubisco酶来提高玉米的光合生产力。

 

由于动物不能直接利用大气中的二氧化碳(CO2),因此植物通过光合作用产生的有机物不仅供植物使用,动物也可以通过食用植物而得到有机物。这使得植物的光合生产力显得极为重要。

 

Rubisco酶,全名核酮糖二磷酸缩化酶,大量存在于植物细胞的叶绿体中,是光合作用中限速步骤的催化剂,也是光合作用中的主要酶,帮助植物在自然界中将碳固定化,即将碳从CO2的形态转变成葡萄糖等有机物的形态。

 

玉米则是全球性的重要粮食作物之一,其年种植量比水稻和小麦多。在澳大利亚,玉米是所有大田作物中地理分布最广的作物,也是重要的粮食和生物燃料,但其产量与小麦或水稻相比却并不大。

 

由于Rubisco酶的转换周期较长,科学家们一直希望能够对此做出改进。而改变Rubisco酶催化特性的一种方法是增加其在四碳植物叶绿体中的丰度,这将会增强Rubisco酶活力,并获得更高的碳同化率。

 

碳同化是指植物利用光反应中形成的同化力(ATP和NADPH),将CO2转化为碳水化合物的过程。碳同化率越高,表示该植物光合作用的效率越高。

 

“玉米中所含的Rubisco酶是最高效的Rubisco活化酶之一,它们可以利用较少的氮完成反应。如果我们增加玉米中的Rubisco酶含量,会对植物有什么作用?我们发现通过促进玉米细胞内Rubisco酶的增加,作物生产力得到了提高。”美国康奈尔大学附属博伊斯汤普森研究所的联合研究员大卫·斯特恩(David Stern)说。

 

该研究小组通过Rubisco装配伴侣蛋白RAF1对Rubisco酶大亚基抗体(LS)和Rubisco酶小亚基抗体(SS)进行过表达。虽然LS和SS的过表达对Rubisco酶的含量变化没有具体影响,但添加的伴侣蛋白RAF1使得Rubisco酶的含量增加超过30%。通过气体交换,UBI-LSSS-RAF1型转基因玉米的碳同化增加了15%。

 

“我们认为这将有利于玉米的生长,并提高玉米对极端成长环境的容忍度。”澳国立ARC转化光合作用杰出中心、研究小组组长罗伯特·沙伍德(Robert Sharwood)表示。

 

地球上的每一株植物都利用光合作用从大气中获取二氧化碳,但并非都以相同的途径获取到二氧化碳。像小麦和水稻这样的植物使用的是传统而低效的C3光合作用途径(即三碳植物),而其他如玉米和高粱等则使用的是更为有效的C4光合途径(即四碳植物)。

 

相比三碳植物,Rubisco酶在四碳植物中的工作效率更高。同时四碳植物能利用强日光提高自身在强光、高温下的光合速率,干旱时还可以收缩部分气孔孔径,减少蒸腾失水,因此四碳植物能有效提高水分的利用率。这些特性在干热地区有明显的选择优势,而研究人员预计在未来几十年里,干燥和炎热,将成为植物生存的普遍环境条件。

 

“我们能预期到的气候变化,都会对全球粮食安全产生更大的威胁,”沙伍德表示,“这使得我们对高生产力、高适应力的农作物的需求迫在眉睫。”

坡集新闻(atur.com.cn)

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