研究人员发现了角苔植物的一种分子机制，未来或能帮助作物更高效地捕获二氧化碳。这种名为RbcS-STAR的独特蛋白质特征会使关键光合作用酶Rubisco聚集形成密集隔间，从而提升其工作效率。当科学家将该特征植入其他植物后，Rubisco以相同方式实现了重组。这项发现为培育具有更高效光合作用的主要作物带来了可能性。
这项研究由博伊斯·汤普森研究所(BTI)、康奈尔大学和爱丁堡大学的科学家领导。它解决了农业中一个涉及Rubisco的主要限制，Rubisco是一种在光合作用过程中从空气中捕获二氧化碳的酶。
Rubisco与光合作用的限制
Rubisco在地球生命中扮演着核心角色，但它有一个主要缺陷。这种酶运作缓慢，并且容易与氧气而非二氧化碳相互作用，这会浪费能量并降低植物的有效生长效率。
"Rubisco可以说是这个星球上最重要的酶，因为它是我们所吃食物中几乎所有碳的入口点，"共同领导这项研究的BTI副教授Fay-Wei Li说。"但它很慢，并且容易被氧气分心，这会浪费能量并限制植物的生长效率。"
随着时间的推移，一些生物已经进化出克服这种低效性的方法。例如，许多类型的藻类将Rubisco置于其细胞中称为蛋白核的微小结构内。这些微观隔室将二氧化碳集中在酶周围，使其能够更有效地运作。
长期以来，研究人员一直希望将这种类型的碳浓缩系统引入自然状态下没有蛋白核的粮食作物中。然而，事实证明，将这种复杂的机制从藻类转移到陆地植物是极其困难的。
角苔植物揭示了一种意想不到的策略
当科学家们检查角苔时，取得了一项突破，角苔是已知唯一含有类似于藻类中发现的碳浓缩隔室的陆地植物。由于角苔与作物的进化关系比藻类更近，研究人员推测它们的分子工具可能更容易转移。
但他们发现的结果与他们预期的截然不同。
"我们假设角苔会使用类似于藻类所用的东西——一种将Rubisco聚集在一起的独立蛋白质，"与Li合作的研究生、该论文的共同第一作者Tanner Robison说。"相反，我们发现它们改造了Rubisco本身来完成这项工作。"
RbcS-STAR蛋白与Rubisco聚类
关键元素是一种研究人员命名为RbcS-STAR的不寻常的蛋白质组分。Rubisco本身由大的和小的蛋白质片段构成。在角苔中，小组分的一个版本包含一个称为STAR区域的额外片段。
这个额外的尾部像分子魔术贴一样起作用。它使Rubisco蛋白质粘在一起，在细胞内形成聚集结构。
为了确定STAR是否能在其他植物中发挥作用，研究人员进行了几项实验。他们首先将RbcS-STAR组分引入到一个不天然形成蛋白核的近缘角苔物种中。改变后，Rubisco从散布在整个细胞中转变为形成类似于蛋白核的浓缩结构。
然后，科学家们在拟南芥（一种广泛用于实验室研究的植物）中测试了同样的想法。Rubisco再次聚集到叶绿体内的密集隔室中。
"我们甚至尝试只将STAR尾部连接到拟南芥天然的Rubisco上，它也触发了相同的聚集效应，"共同领导这项研究的爱丁堡大学教授Alistair McCormick说。"这告诉我们STAR确实是驱动力。它是一个模块化工具，可以在不同的植物系统中工作。"
通往更高效作物的潜在路径
这种机制在不同植物物种中都能起作用的事实使这项发现对农业尤为重要。这表明科学家可能只需添加这种通用的魔术贴组分，就能触发作物中的Rubisco聚集。
然而，研究人员强调仍需要更多的工作。除了聚集Rubisco外，植物还必须有效地将二氧化碳输送到酶中。
"我们已经建造了一个Rubisco的房子，但除非我们更新暖通空调系统，否则它不会成为一个高效的房子，"共同领导这项研究的康奈尔大学助理教授Laura Gunn说。该团队现在正致力于应对这一挑战。
迈向更可持续粮食生产的一步
即便如此，这一发现代表了在改进光合作用努力方面的重要进展。即使轻微提高光合作用效率也能提高作物产量，同时减少农业对环境的影响。随着科学家们寻求为不断增长的全球人口可持续地生产更多粮食的方法，这一目标变得越来越重要。
"这项研究表明，大自然已经测试了我们可以学习的解决方案，"Li说。"我们的工作是充分理解这些解决方案，以便将它们应用到最需要的地方——在养活世界的作物上。"
这项研究发表在《科学》杂志上，四位早期职业科学家做出了同等贡献：Tanner A. Robison、Yuwei Mao、Zhen Guo Oh和Warren S.L. Ang。通讯作者是Laura H. Gunn、Alistair J. McCormick和Fay-Wei Li。