加強綠色植物的光合作用效率一直是不少科學家和工程師的目標。袁隆平先生曾設想過[1]，把玉米等C4植物的相關基因轉到水稻上，從而增強它的光合作用效率——無獨有偶，美國康奈爾大學的研究團隊9月18日在《自然》雜誌上發表了快報[2]，通過基因工程的手段將細長集球藻（Synechococcus elongatus）中的1，5-二磷酸核酮糖羧化酶（RuBisCo）替換掉了菸草（Nicotiana tabacum）原有的RuBisCo，為進一步引入藍細菌的二氧化碳富集機制，提高作物產量打下了基礎。果殼網就此對論文的第一作者密林（Myat Lin）進行了採訪。
作為利用太陽能的主力，綠色植物通過光合作用為生物圈源源不斷地輸送能量，固定二氧化碳。光合作用主要分為兩步：光反應將光能固定為高能化學鍵，同時產生氧氣；暗反應則利用這些高能鍵，將二氧化碳固定為糖。在暗反應中，最為關鍵的酶便是核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（RuBisCo）了——它是將二氧化碳固定下來的第一步，幾乎能決定整個光合作用的效率。不過諷刺的是，這個光合作用中酶卻耐受不了氧氣；在氧氣濃度過高時，它會將自己的底物氧化（而不是羧化），讓光合作用的效率大打折扣。
在光合作用中，RuBisCo是固定二氧化碳最關鍵的環節。它的底物是1，5-二磷酸核酮糖（RuBP），RuBisCo能夠結合二氧化碳將其羧化，也能結合氧氣將其氧化。圖片來源：cnx.org
這又是演化給我們帶來的麻煩——由於第一個能固定無機碳的生物生活在海底熱液區的無氧環境下，利用化學能固碳，隨之出現的固碳分子自然不必耐受氧氣。直到它們其中有些不小心遊蕩到了原始海洋的表面，才開始慢慢發掘陽光的美好，開始用水的光解代替原先供能的化學反應。而這個時候，原始的固碳酶已經有了自己的代謝路徑，演化才懶得從頭「發明」一個耐氧的版本，便將就著這個版本加些補丁繼續用了——畢竟還能湊合。
可是研究者們可不想繼續在不到10%上[3]湊合。光合作用效率不僅有足夠的提升空間，而且其提升意義重大。他們想到了藍細菌（Cyanobacteria）。這些單細胞的原核生物不僅和葉綠體們共享一個祖先，更能夠獨立進行全套光合作用，而且還具有一套輕便的二氧化碳富集機制（CO2-concentratin mechanism，CCM）。 「現在認為藍細菌的固碳效率更高是因為這套二氧化碳富集機制。」密林告訴果殼網，「這其中包括多種無機碳的運輸蛋白和叫做羧酶體（carboxysome）的細菌微房室（microcompartment）。羧酶體中包裹著RuBisCo和碳酸酐酶，在它內部，底物（二氧化碳）濃度增加， RuBisCo的光呼吸強度隨之降低。這雖然會讓藍細菌的RuBisCo對二氧化碳的親和力略下降，但同時催化效率卻可大大提升。」密林還表示，這項工程相比將C3植物改造成C4，更有操作性。「C4植物中的二氧化碳富集機制要求兩種不同細胞（即葉肉細胞和維管束鞘細胞）的配合，與此不同，藍細菌中的完整富集機制則有可能被整合入葉綠體。」
這個研究組便利用了經典模式生物細長集球藻PCC7942菌株（Se7942）基因組中的RuBisCo。「我們想到這個藍細菌是因為，它是研究光合作用的模式細菌之一。」密林介紹道，「它的RuBisCo組裝和二氧化碳富集機制是所有光合細菌中研究得最徹底的。」除了RuBisCo本身的基因之外，他們還一同鎖定了另外兩個分子伴侶，RbX和CcmM35。「RbX能夠幫助藍細菌的RuBisCo組裝。」密林說，「最近其他課題組的研究表明，CcmM35對於RuBisCo在羧酶體中的組裝很重要。」
菸草植株中轉入的重組RuBisCo在高濃度二氧化碳當量下比野生植株的催化效率高出許多。圖片來源：研究論文
要將這些基因轉到菸草裡，做起來可遠不如說起來那麼簡單，前人的嘗試幾乎都沒成功。要將新的基因轉入，首先得將「原配」基因從菸草和它的葉綠體基因組中給敲除掉。研究人員用基因槍將設計好的基因片段打入菸草葉綠體，等待它們將老片段「替換」掉了之後，用專門的培養基篩選出只含有這種葉綠體的菸草細胞，再通過組織培養最終獲得成品。密林向我們解釋道：「改善RuBisCo最難的地方在於這個蛋白的各個亞基，尤其是大亞基的摺疊，以及讓其組裝成有功能的複合體。在植物中，這個更加具有挑戰性，因為小亞基是從細胞核表達的，需要運輸到葉綠體與大亞基進行組裝。相比起先前的工作，我們目前掌握了更多關於藍藻RuBisCo組裝的信息。」
這個團隊的一系列努力最終取得了階段性成功：不僅這些基因在新的地方能夠表達，在電鏡下也能看見這些蛋白在葉綠體中組裝成了與細長集球藻中類似的功能單位。「我們在CcmM35轉化體中觀測到了類似的組裝。這意味著，如果我們能夠成功地在葉綠體中構建出羧酶體，藍細菌的RuBisCo是有可能被封裝入羧酶體的。」密林表示。
a. 6周大的野生型菸草；b、c. 6周大的轉基因菸草；d、e. 10周大的轉基因菸草。圖片來源：研究論文
同時，因為藍細菌的RuBisCo結合二氧化碳的能力弱於綠色植物的，接受了新葉綠體的植株起初長勢並不如野生植株（上圖）。「我們預料到了這些轉入新葉綠體的植株會比野生型長勢差，因為這些植物還不具備完善的二氧化碳富集機制。」密林向我們解釋道，「於是，這些植株中的光呼吸水平會更高，光合效率因而更低。」不過，這已足夠表明，轉進去的工程葉綠體已經能夠發揮光合作用的功能。並且，這些重組RuBisCo的固碳效率在高二氧化碳濃度下遠高於原來的RuBisCo，展露出了大大的潛能。
論文作者表示，換掉RuBisCo只是第一步。以此為基礎，他們想逐步將藍藻中的二氧化碳富集機制複製到高等植物中，以提高它們對二氧化碳的利用率，增加產量，這對未來的農業發展和環境變化都是一記福音。「我們將來會加入藍細菌二氧化碳富集機制中的其他組分，屆時，這些植株將有望比野生植株長得更旺盛。」 密林對此滿懷憧憬。（編輯：球藻怪）
（作者：科普中國責任編輯：天極科普君）
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