大腸桿菌為光合作用研究創造絕佳環境

2020-09-23 科技工作者


康奈爾大學植物分子生物學、遺傳學和植物生物學教授Maureen Hanson（左一）和助理研究員Myat Lin（右一）

美國康奈爾大學的科學家們設計了一種關鍵植物酶，並將其引入大腸桿菌中進行實驗。這種方法為研究如何加快光合作用並提高作物產量創造了絕佳實驗環境。相關研究近日發表在《自然植物》雜誌上。

科學家們已經知道：加速光合作用過程可以提高作物產量。植物通過光合作用將二氧化碳（CO2）、水和光轉化為氧氣，並最終轉化為蔗糖。

本次研究中，研究人員把重點放在Rubisco上——一種參與二氧化碳中碳固定並使其生成蔗糖的酶。這種酶有時會與CO2以及空氣中的氧氣混合發生催化反應，產生有毒副產物並造成能量浪費，從而使光合作用效率低下。

美國康奈爾大學植物分子生物學、遺傳學和植物生物學教授Maureen Hanson說：「我們希望Rubisco可以不與氧氣相互作用，並且更高效地『工作』。」

為實現這一目標，研究人員從菸草植物中提取Rubisco並將其編輯引入大腸桿菌，進行測試。由於細菌繁殖非常迅速，研究人員可以在第二天就獲得測試結果。但若把新型突變Rubisco引入植物，必須等上數月才能得到結果。

最初，另一小組也曾試圖將菸草Rubisco引入大腸桿菌，但他們發現這種酶在大腸桿菌中的表達很弱。在植物中，Rubisco由8個大亞基和8個小亞基組成，單個基因編碼大亞基，但許多基因共同編碼小亞基。複雜的酶組裝過程和植物中酶的多種形態令Rubisco相關實驗困難重重。

在論文第一作者、博士後助理研究員Myat Lin的帶領下，研究人員得以成功將這一過程分解，並使單一類型的大亞基和小亞基同時在大腸桿菌中表達，藉以了解酶的特性。

最終，他們在大腸桿菌中獲得了期盼中的酶表達，這種酶表達與在植物株內的表達相符。他們還發現，毛狀體（植物葉子上的微毛）中的Rubisco亞基比其他葉細胞亞基都更高效。

Hanson說：「我們現在可以利用大腸桿菌設計新的植物Rubisco，並評估酶的作用效果。之後我們可以將改進後的酶應用到作物中，提高產量。」

編譯：小貝

審稿：西莫

責編：陳之涵

期刊來源：《自然植物》

期刊編號：2055-026X

原文連結：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-09/cu-ecb092120.php

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