資訊 > 熱點資訊 > 《自然》子刊:基因編輯使玉米光合作用更高效,對抗氣候變化
當(dāng)?shù)貢r間10月1日,澳大利亞國立大學(xué)(ANU)的研究小組在《自然》雜志子刊《自然-植物》上發(fā)表論文表示,可以通過靶向Rubisco酶來提高玉米的光合生產(chǎn)力。
由于動物不能直接利用大氣中的二氧化碳(CO2),因此植物通過光合作用產(chǎn)生的有機物不僅供植物使用,動物也可以通過食用植物而得到有機物。這使得植物的光合生產(chǎn)力顯得極為重要。
Rubisco酶,全名核酮糖二磷酸縮化酶,大量存在于植物細(xì)胞的葉綠體中,是光合作用中限速步驟的催化劑,也是光合作用中的主要酶,幫助植物在自然界中將碳固定化,即將碳從CO2的形態(tài)轉(zhuǎn)變成葡萄糖等有機物的形態(tài)。
玉米則是全球性的重要糧食作物之一,其年種植量比水稻和小麥多。在澳大利亞,玉米是所有大田作物中地理分布最廣的作物,也是重要的糧食和生物燃料,但其產(chǎn)量與小麥或水稻相比卻并不大。
由于Rubisco酶的轉(zhuǎn)換周期較長,科學(xué)家們一直希望能夠?qū)Υ俗龀龈倪M。而改變Rubisco酶催化特性的一種方法是增加其在四碳植物葉綠體中的豐度,這將會增強Rubisco酶活力,并獲得更高的碳同化率。
碳同化是指植物利用光反應(yīng)中形成的同化力(ATP和NADPH),將CO2轉(zhuǎn)化為碳水化合物的過程。碳同化率越高,表示該植物光合作用的效率越高。
“玉米中所含的Rubisco酶是效的Rubisco活化酶之一,它們可以利用較少的氮完成反應(yīng)。如果我們增加玉米中的Rubisco酶含量,會對植物有什么作用?我們發(fā)現(xiàn)通過促進玉米細(xì)胞內(nèi)Rubisco酶的增加,作物生產(chǎn)力得到了提高。”美國康奈爾大學(xué)附屬博伊斯湯普森研究所的聯(lián)合研究員大衛(wèi)·斯特恩(David Stern)說。
該研究小組通過Rubisco裝配伴侶蛋白RAF1對Rubisco酶大亞基抗體(LS)和Rubisco酶小亞基抗體(SS)進行過表達(dá)。雖然LS和SS的過表達(dá)對Rubisco酶的含量變化沒有具體影響,但添加的伴侶蛋白RAF1使得Rubisco酶的含量增加超過30%。通過氣體交換,UBI-LSSS-RAF1型轉(zhuǎn)基因玉米的碳同化增加了15%。
“我們認(rèn)為這將有利于玉米的生長,并提高玉米對極端成長環(huán)境的容忍度。”澳國立ARC轉(zhuǎn)化光合作用杰出中心、研究小組組長羅伯特·沙伍德(Robert Sharwood)表示。
地球上的每一株植物都利用光合作用從大氣中獲取二氧化碳,但并非都以相同的途徑獲取到二氧化碳。像小麥和水稻這樣的植物使用的是傳統(tǒng)而低效的C3光合作用途徑(即三碳植物),而其他如玉米和高粱等則使用的是更為有效的C4光合途徑(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。同時四碳植物能利用強日光提高自身在強光、高溫下的光合速率,干旱時還可以收縮部分氣孔孔徑,減少蒸騰失水,因此四碳植物能有效提高水分的利用率。這些特性在干熱地區(qū)有明顯的選擇優(yōu)勢,而研究人員預(yù)計在未來幾十年里,干燥和炎熱,將成為植物生存的普遍環(huán)境條件。
“我們能預(yù)期到的氣候變化,都會對全球糧食安全產(chǎn)生更大的威脅,”沙伍德表示,“這使得我們對高生產(chǎn)力、高適應(yīng)力的農(nóng)作物的需求迫在眉睫。”
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