Mol Plant| 新型雜合高效RuBisCO

8月20日，Molecular Plant 在線發表了日本神戶大學（Kobe University）Hiroshi Fukayama教授的題為 HybridRubisco with Complete Replacement of Rice Rubisco Small Subunits by SorghumCounterparts Confers C4-Plant-like High Catalytic Activity 的研究論文。該研究在C3型植物水稻中將編碼RuBisCO蛋白小亞基RbcS基因替換為高粱C4型RbcS，所獲得的雜合RuBisCO蛋白表現出類似C4植物的高催化活性。表達雜合RuBisCO蛋白的轉基因水稻具有稍高的光合能力。根據晶體結構分析，推測小亞基的βC-βD髮夾可能在決定催化活性中起作用。

1,5-二磷酸核酮糖羧化酶／加氧酶（Ribulose-1,5-bisphosphatecarboxylase / oxygenase，通常簡寫為RuBisCO）是一種酶（EC 4.1.1.39），它在光合作用中卡爾文循環裡催化第一個主要的碳固定反應，將大氣中游離的二氧化碳轉化為生物體內儲能分子，比如蔗糖分子。RuBisCO可以催化1,5-二磷酸核酮糖與二氧化碳的羧化反應或與氧氣的氧化反應。同時RuBisCO也能使RuBP進入光呼吸途徑。
RuBisCO在生物學上有重要的意義，因為它所催化的反應是無機態的碳進入生物圈的主要途徑。鑑於它對生物圈的重要性，人們正在努力改進自然界中的RuBisCO的功能。
在目前的大氣條件下，光合作用速率RuBisCO的限制，因為它的催化速率（k cat）非常低，且極低的CO2親和力（Kc）低和CO2的特異性（Sc/o）。
C4植物中的RuBisCO通常顯示出比C3植物更高的kcat。 RuBisCO由八個大亞基和八個小亞基（RbcS）組成。 水稻中的RBCS有5個等位基因，其中OsRbcS1不在光合器官中表達。作者2011年已發表的工作中，通過在水稻中過表達高粱C4型RbcS提高了Rubisco的催化活性 (Ishikawa et al.2011)。 在這項研究中，在之前發表的高粱RBC轉基因水稻中進一步敲除了水稻除OsRbcS1以外的其它4個基因，OsRbcS2-5， 獲得進一步的RuBisCO替換水稻株系（CSS）。作者發現，與野生型水稻相比，RuBisCO含量相較野生型有所下降，但具有較高的kcat，較高的kc和較低的Sc/o，且在高CO2條件下它們顯示展現更高的CO2同化效率。增加CO2濃度可以恢復由於雜合植株在正常條件下可能因Rubisco酶大量減少導致的乾物質積累量減少現象。

作者最後對野生型RuBisCO和Hybrid-RuBisCO的高解析度晶體結構分析，分別獲得1.75 and 1.70 Å高解析度的兩者晶體結構，並且推測了催化活性差異可能是由於RuBisCO的中心孔和RbcS的βC-βD結構差異造成。這種差異，特別是在βC-βD髮夾結構中，可能會影響RuBisCO催化位點的柔性並改變催化性能。

C4植物分布廣泛，由大約7500個物種組成。因此， C4植物可以提供合適的高活性的RBCS基因，可成為非常有用的基因資源。本文已驗證了將C4-RbcS導入C3植物是一種很有前途的改善RuBisCO動力學性質的策略。因此，未來更高效的C4-RbcS的引入，將有可能在未來提高植物的光合作用和生產力。 文章連結：https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(20)30268-9

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