舶来赏析-种内与物种间比较，提高小麦Rubisco活化酶热稳定性（PP 2019）

上周小编和大家聊了欧洲小麦对气候波动性的适应性的文章（舶来赏析-现代育种体系降低了欧洲小麦对气候波动的适应性？（PNAS 2019））。全球气候变暖，极端天气越来越频繁，小麦人越来越关注这一方面，最怕倒春寒、湿热风等发生，田里的材料受影响。

今天继续这一话题，为大家解读一下最近Plant Physiology杂志刚上线的题为“A conserved sequence from heat-adapted species improves Rubisco activase thermo stability in wheat”的文章，由比利时巴斯夫农业解决方案公司（BASF Agricultural Solutions）和澳大利亚国立大学的团队完成，第一作者和通讯作者为Andrew P Scafaro博士。

植物光合作用的核心酶为Rubisco，但该酶的激活位点很容易被一些物质结合，而导致酶活被抑制。Rubisco活化酶（Rubisco activase，下简称为Rca）是一类伴侣酶，可以移除Rubisco激活位点的抑制物，从而激活Rubisco。但是Rca的活性容易受到温度、尤其是高温的影响，这也是高温下植物Rubisco酶活下降、光合作用受阻的主要原因。所以作者就想从小麦物种内和小麦与其他物种间比较的角度，尝试找到促进Rca高温稳定性的遗传线索。

在很多植物物种中，包括水稻，只有一个有功能的Rca基因，但由于可变剪切，存在两种转录本Rca-α和Rca-β。在小麦基因组中，除了也存在该同源基因（命名为TaRca2，对应TaRca2-α和TaRca2-β），还存在另一个只能编码β形式蛋白的TaRca1（即TaRca1-β）。过去研究表明，TaRca2的表达量要比TaRca1的高很多。

作者首先选取了一份春小麦（cv. Fielder）和一份冬小麦（cv. Mentor），查看三个基因在热胁迫下的表达情况。无论是营养生长期的春小麦，还是开花期的冬小麦（作者没写为什么这么选择。小编推测不同小麦选择的发育期不同，是因为遭遇热胁迫的时期不同？），在热胁迫处理下，TaRca1-β由几乎不表达变为强烈表达（尽管不同发育时期绝对表达量不一样），而TaRca2-β的表达则受到热胁迫显著抑制。暗示TaRca1-β参与小麦的热胁迫适应。

接下来作者对三个小麦Rca蛋白和水稻中的OsRca-β（水稻是热带植物，该蛋白可作为阳性对照）进行了体外重组纯化，并测定了四个蛋白的热稳定性，发现TaRca2蛋白的热稳定性较低，其Tm值（降解一半的温度）约在35℃附近。而TaRca1-β具有更高的热稳定性，Tm值在42℃附近，与水稻OsRca-β相当。

为什么TaRca2蛋白的热稳定性较差呢？能不能改良TaRca2蛋白呢（如前所述在小麦中，TaRca2的表达量要比TaRca1的高很多）？作者先从序列比较和蛋白结构模型比较入手。比较的对象不仅选取了TaRca1-β、TaRca2-β和OsRca-β，也按照物种的生长环境，从公开数据库中挑选了一些热带植物和温带植物的Rca蛋白序列。

借助上述序列，通过不同的比较策略，作者预测了可能会影响Rca蛋白热稳定性的氨基酸位点，并人工创制了三种形式的TaRca2-β改良蛋白（TaRca2-β-11AA，TaRca2-β-8AA和TaRca2-β-3AA）。进行热稳定性测定实验后发现，11个氨基酸的替换可以将TaRca2-β的热稳定性提高7℃，且不影响酶的催化活性。

文章最后，作者还从ATP添加、多聚体形成等角度，对人工突变形式的TaRca2-β进行了测定和比较。

编后语：通读下来，这篇文章简单而有趣，最关键是意义也很大。虽然缺乏体内实验证据（作者在讨论里也说了，小麦体内的遗传操作，包括基因编辑，正在进行中）。当然，同时改变11个氨基酸序列，在小麦上基因编辑或许还是有难度的。

注：少数内容参考自“莱肯生物”公众号。