一项新的研究提供了一个框架，通过结合一种快速生长的绿藻物种的策略来促进作物生长。这种被称为莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)的藻类含有一种称为类芘的细胞器，可以加速藻类从空气中吸收的碳转化为生物体可以利用的形式。
在2022年5月19日发表在《自然植物》杂志上的一项研究中，普林斯顿大学和西北大学的研究人员使用分子建模来确定对增强碳固定最关键的类芘的特征，然后绘制出如何将这种功能设计到作物植物中。
这不仅仅是一个学术练习。对今天的许多人来说，大部分食物卡路里来自数千年前驯化的作物。从那时起，灌溉、施肥、育种和农业工业化的进步帮助养活了迅速增长的人口。然而，到目前为止，只能从这些技术中获得增量收益。与此同时，对世界上大部分人口来说已经处于危机水平的粮食不安全状况，预计将由于气候变化而恶化。
新技术可以扭转这一趋势。许多科学家认为，类芘藻就提供了这样一种创新。如果科学家能够设计出一种类似于芘的能力，将碳浓缩到小麦和水稻等植物中，这些重要的食物来源的生长速度可能会大大提高。
“这项工作为将碳浓缩机制设计到植物中，包括主要作物，提供了明确的指导。”该研究的资深作者、普林斯顿大学分子生物学副教授、霍华德休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Institute)研究员马丁·乔尼卡斯(Martin Jonikas)说。
莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)通过Rubisco酶的作用实现碳固定，Rubisco酶催化CO的转化2变成有机碳。
陆生植物也使用Rubisco来完成碳固定，但在大多数植物中，Rubisco只能在其理论容量的三分之一左右工作，因为它无法获得足够的CO2操作更快。因此，人们花了大量精力研究碳浓缩机制，特别是在蓝藻和衣藻中发现的机制，希望最终能为陆地作物提供这种功能。但有一个问题:
“虽然类芘的结构和它的许多成分是已知的，但由于缺乏定量和系统的分析，关于其机制的关键生物物理问题仍然没有答案。”资深合著者内德·温格林说，他是普林斯顿大学霍华德·a·普赖尔生命科学教授、分子生物学教授和刘易斯-西格勒综合基因组学研究所的教授。
为了深入了解藻类类芘碳集中机制是如何工作的，普林斯顿大学研究生Chenyi Fei与2020届本科生Alexandra Wilson合作，在西北大学工程科学和应用数学助理教授Niall Mangan的帮助下，开发了一个类芘的计算模型。
先前的研究表明，莱茵衣藻pyrenoid由一个球形Rubisco基质组成，被称为pyrenoid小管的膜包围的投影的脉管系统所穿过，并被淀粉制成的鞘所包围。人们认为CO2从环境中吸收，转化为碳酸氢盐，然后运输到小管，然后进入类芘。小管中存在的一种酶将碳酸氢盐转化为CO2，然后扩散到Rubisco基质中。但这幅图完整吗?
“我们的模型表明，这种传统的类芘碳集中机制的图像不能工作，因为CO2就会在Rubisco对其起作用之前迅速从类芘中泄漏出来，”Wingreen说。“相反，类芘周围的淀粉壳必须作为一个扩散屏障来捕获CO2和Rubisco在芘类化合物中"
除了识别这种扩散障碍外，研究人员的模型还确定了CO所需的其他蛋白质和结构特征2浓度。该模型还识别了非必需的成分，这将使将类芘功能工程到植物中成为一项更简单的任务。研究人员表明，这种简化的类芘模型与实际的细胞器行为相似。
“费、威尔逊和同事开发的新模型改变了游戏规则。”爱丁堡大学植物分子生理学和合成生物学专家阿利斯泰尔·麦考密克说，他曾与普林斯顿大学的科学家合作，但没有参与这项研究。
“这篇论文的关键发现之一是，将衣藻的碳浓缩机制与蓝藻中的碳浓缩机制区分开来，这篇论文的关键发现之一是，引入活性碳酸氢盐转运蛋白可能是不必要的。”麦考密克说。“这很重要，因为主动碳酸氢盐运输一直是阻碍生物物理碳浓缩机制工程进展的关键挑战。”
这项研究中,“基于芘类化合物的CO模型2-浓缩机制为其工作原理提供了见解，并为其应用于作物提供了路线图。”由陈逸飞、亚历山德拉·t·威尔逊、尼尔·m·曼根、内德·s·温格林和马丁·c·乔尼卡斯合著的论文发表在《自然植物》杂志上。
这项研究的资金由美国国立卫生研究院、国家科学基金会、西蒙斯基金会和霍华德·休斯医学研究所提供。
来源:https://www.princeton.edu/