发现的藻类光合作用缺失环节 提供了提高作物产量的机会

光合作用是植物和藻类利用的天然过程,用于捕获阳光并将二氧化碳固定成富含能量的糖类,这些糖类可促进生长,发育以及作物的产量。藻类进化出专门的二氧化碳浓缩机制(CCM),比植物更有效地进行光合作用。本周,在美国国家科学院院刊中,来自路易斯安那州立大学(LSU)和约克大学的一个小组报告了绿藻CCM的长期无法解释的步骤 – 这是开发功能的关键CCM在粮食作物中提高生产力。

“大多数作物受到光呼吸的困扰,当Rubisco(驱动光合作用的酶)无法区分维持生命的二氧化碳和浪费大量植物能量的氧分子时,就会发生这种情况,”Streva校友教授James Moroney说。在LSU和实现提高光合效率(RIPE)的成员。“最终,我们的目标是在作物中设计CCM,以更多的二氧化碳包围Rubisco,使其更有效,并且不太可能吸收氧分子 – 随着温度的升高,这个问题会变得更加严重。”

在伊利诺伊大学的带领下,RIPE是一项国际研究项目,通过比尔和梅林达盖茨基金会,美国食品和农业研究基金会(FFAR)以及英国政府的支持,通过改善光合作用来提高作物的工作效率。国际发展部(DFID)。

尽管二氧化碳相对容易地扩散穿过细胞膜,但碳酸氢盐(HCO3-)由于其负电荷而扩散约50,000倍。绿藻Chlamydomonas reinhardtii,绰号Chlamy,将碳酸氢盐跨三个细胞膜转移到容纳Rubisco的隔室,称为pyrenoid,其中碳酸氢盐转化为二氧化碳并固定成糖。

“在此之前,我们并不了解碳酸氢盐如何越过第三个进入pyrenoid的门槛,”Ananya Mukherjee说道,他在加入内布拉斯加大学林肯分校担任博士后研究员之前曾在路易斯安那州立大学担任研究生。“多年来,我们试图找到缺失的成分,但事实证明,这一步中涉及三种转运蛋白 – 这是我们对莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)CCM的理解中缺失的一环。”

“虽然其他转运蛋白是已知的,但我们推测这些可以更容易与作物共享,因为Chlamy与植物的关系比其他光合藻类更密切,例如蓝细菌或硅藻,”约克的讲师Luke Mackinder说道。 RIPE团队在此工作的支持下,得到了生物技术与生物科学研究委员会(BBSRC)和Leverhulme Trust的支持。

在作物中创造功能性CCM将需要三件事:储存Rubisco的隔间,将碳酸氢盐带入隔室的转运蛋白,以及将碳酸氢盐转化为二氧化碳的碳酸酐酶。

在2018年的一项研究中,澳大利亚国立大学的RIPE同事证明他们可以在作物中添加一个叫做carboxysome的隔间,类似于pyrenoid。现在,这项研究完成了可能的转运蛋白清单,这些转运蛋白可以将细胞外的碳酸氢盐转移到作物叶细胞中的这种羧基结构中。

“我们的研究表明,在作物中创造功能性CCM可以帮助作物保存更多的水,并可以显着减少作物光呼吸的能量收益过程 – 随着温度的升高而变得更加严重,”莫罗尼说。“能够更有效地进行光合作用的气候变化作物的开发对于保护我们的粮食安全至关重要。”

实现提高光合效率(RIPE)是工程主食作物,在比尔和梅林达盖茨基金会,美国食品和农业研究基金会以及英国的支持下,更有效地将太阳能转化为食物,从而可持续地增加全球粮食产量。政府国际发展部。

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