PNAS: 植物科学家们正在与时间赛跑，通过改善光合作用来设计产量更高的作物
为了养活预计到 2050 年的 90 亿人口，农民需要在有限的耕地上多种植 50% 的粮食。 因此，植物科学家们正在与时间赛跑，通过改善光合作用来设计产量更高的作物。
众所周知，蓝绿藻（蓝藻）比大多数作物更有效地进行光合作用，因此研究人员正在努力将蓝藻中的元素放入作物植物中。
康奈尔大学领导的一项新研究描述了朝着实现该目标迈出的重要一步。 “叶绿体中碳酸酐酶的缺失会影响 C3 植物的发育，但不会影响光合作用，”8 月 11 日在美国国家科学院院刊上发表。
已经假设位于叶绿体基质中的碳酸酐酶促进 C3 植物的光合作用，因为它们催化涉及碳酸氢盐和 CO2 的反应，CO2 是固碳酶 RuBisCO 的底物。 为了测试这种可能性，通过 CRISPR/Cas9 诱变产生了完全缺乏叶绿体基质碳酸酐酶活性的烟草突变体。 植物表现出正常的光系统 II 活性和 CO2 同化，但也表现出异常发育和增加的活性氧和基质 pH 值。 我们得出结论，叶绿体碳酸酐酶在为碳固定提供 CO2 方面没有直接作用。 相反，正如在微生物中一样，碳酸酐酶是为生物合成过程提供碳酸氢盐所必需的。
植物分子生物学教授 Maureen Hanson 是该论文的资深作者。 Hanson 实验室的前学生 Kevin Hines 和 Hanson 实验室的博士后助理 Vishal Chaudhari 是共同第一作者。
当植物进行光合作用时，它们会将二氧化碳、水和光转化为氧气和蔗糖，蔗糖是一种用于提供能量和构建新组织的糖。 在此过程中，Rubisco（一种存在于所有植物中的酶）从空气中提取无机碳并将其“固定”或转化为植物用来构建组织的有机形式。
提高作物光合作用的一个障碍是 Rubisco 会与空气中的二氧化碳和氧气发生反应。 后一种反应会产生有毒副产品，减缓光合作用，从而降低产量。 但是在蓝藻中，Rubisco 包含在称为羧基体的微隔室中，可以保护 Rubisco 免受氧气的影响。
Hanson 说，羧基体还允许蓝藻浓缩二氧化碳，因此 Rubisco 可以用它来更快地固定碳。 “农作物没有羧基体，所以我们的想法是最终将整个碳浓缩机制从蓝藻进入农作物，”她补充道。
为了将该系统设计为在作物植物中工作，科学家必须从叶绿体中去除碳酸酐酶，一种天然存在的酶，叶绿体是植物细胞中进行光合作用的细胞器。 这是因为酸酐酶的作用是通过催化 CO2 和水形成碳酸氢盐（反之亦然）的反应，在植物细胞中创造 CO2 和碳酸氢盐之间的平衡。 但是为了使蓝藻的碳浓缩机制在作物中发挥作用，系统中的碳酸氢盐必须达到比平衡状态高出许多倍的水平。
“所以在这项研究中，”Hanson 说，“我们完成了使羧基体发挥作用所需的[去除脱水酶]步骤。”
在论文中，作者描述了使用 CRISPR/Cas9 基因编辑技术来去除存在于叶绿体中的两种碳酸酐酶的基因表达。 过去，另一个研究小组使用不同的方法去除了99%的酸酐酶活性，植物生长正常。 但是当 Hanson 和他的同事消除了 100% 的酶活性时，植物几乎没有生长。 “这表明植物需要这种酶来制造碳酸氢盐，而碳酸氢盐用于制造叶组织成分的途径，”汉森说。
当他们将植物放入高 CO2 生长室时，它们恢复了正常生长，因为大量的 CO2 导致自发反应形成碳酸氢盐。
该团队认为他们有一种解决方法可以去除脱水酶，并且仍然有足够的碳酸氢盐。 在最近由一项为期三年、近 800,000 美元的国家科学基金会资助的未来研究中，他们计划在叶绿体膜上放置一个碳酸氢盐转运蛋白，以便将细胞其他部分的碳酸氢盐导入叶绿体。 除了使酸酐酶变得不必要之外，甚至在羧基体被设计成叶绿体之前，额外的碳酸氢盐有望改善光合作用。
实验表明，与先前持有的观点相反，不存在碳酸酐酶不会干扰光合作用。
一个潜在的问题是，已知在叶绿体中发现的碳酸酐酶参与植物的防御途径。 然而，Hanson 小组的研究人员发现，他们可以加入一种无酶活性的碳酸酐酶，并且仍能保持植物的防御能力。
“我们现在知道我们可以制造一种不会影响我们的碳浓缩机制但仍能让作物对病毒具有抗性的无活性酶，”汉森说。
More information: Kevin M. Hines et al, Absence of carbonic anhydrase in chloroplasts affects C3 plant development but not photosynthesis, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021). DOI: 10.1073/pnas.2107425118
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