路漫漫其修远兮分享 http://blog.sciencenet.cn/u/zhpd55 追求科学,勇于探索,苦海无涯,愿作小舟。

博文

科学家们采取措施改善作物的光合作用和提高产量

已有 3545 次阅读 2021-8-16 21:14 |个人分类:新观察|系统分类:海外观察

科学家们采取措施改善作物的光合作用和提高产量

诸平

据美国康奈尔大学Cornell University2021813日提供的消息,该校的科学家采取措施改善作物的光合作用和产量(Scientists take step to improve crops' photosynthesis, yields)。康奈尔大学的一项新研究描述了通过将蓝藻元素放入作物植物来改善光合作用和增加产量的重要一步。

为了养活预计到2050年的全世界90亿人口,农民需要在有限的耕地上多种植出50%的粮食。因此,植物科学家们正在与时间赛跑,通过改善光合作用来设计产量更高的作物。

众所周知,蓝绿藻(Blue-green algae or cyanobacteria)比大多数作物更有效地进行光合作用,因此研究人员正在努力将蓝藻中的元素放入作物植物中。

康奈尔大学领导的一项新研究描述了朝着实现该目标迈出的重要一步。叶绿体中碳酸酐酶的缺失会影响C3植物的发育,但不会影响光合作用,”2021811日已经在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)网站发表——Kevin M. Hines, Vishalsingh Chaudhari, Kristen N. Edgeworth, Thomas G. Owens, Maureen R. Hanson. Absence of carbonic anhydrase in chloroplasts affects C3 plant development but not photosynthesis. Proceedings of the National Academy of Sciences, August 17, 2021, 118 (33): e2107425118; DOI: 10.1073/pnas.2107425118. https://doi.org/10.1073/pnas.2107425118.参与此项研究的有来自康奈尔大学分子生物学和遗传学系(Department of Molecular Biology and Genetics, Cornell University)以及康奈尔大学植物生物学部(Section of Plant Biology, Cornell University)的研究人员。

植物分子生物学教授莫林·汉森(Maureen Hanson)是该论文的通讯作者。莫林·汉森实验室的前学生 凯文·海恩斯(Kevin Hines)和该实验室的博士后Vishalsingh Chaudhari是共同第一作者。

当植物进行光合作用时,它们会将二氧化碳(CO2)、水和光转化为氧气和蔗糖(sucrose),蔗糖是一种用于提供能量和构建新组织的糖类物质。在此过程中,二磷酸核酮糖羧化酶(Rubisco,一种存在于所有植物中的酶)从空气中提取无机碳(inorganic carbon)并将其固定或转化为植物用来构建组织的有机形式(organic form)。

提高作物光合作用的一个障碍是Rubisco会与空气中的二氧化碳和氧气发生反应。后一种反应会产生有毒副产品,减缓光合作用,从而降低产量。但是在蓝藻(cyanobacteria)中,Rubisco 包含在称为羧酶体(carboxysomes)的微隔室(microcompartments)中,可以保护 Rubisco 免受氧气的影响。

莫林·汉森说,羧酶体还允许蓝藻浓缩CO2,因此Rubisco可以用它来更快地固定碳。农作物没有羧酶体,所以我们的想法是最终将整个碳浓缩机制从蓝藻引入农作物,她补充道。

为了将该系统设计为在粮食作物中工作,科学家必须从叶绿体(chloroplasts)中去除碳酸酐酶(carbonic anhydrase),一种天然存在的酶,叶绿体是植物细胞中进行光合作用的细胞器。这是因为碳酸酐酶的作用是通过催化CO2和水形成碳酸氢盐的反应,在植物细胞中的CO2和碳酸氢盐之间建立平衡,反之亦然。但是为了使蓝藻的碳浓缩机制在农作物中发挥作用,系统中的碳酸氢盐必须达到比平衡状态高出许多倍的水平。 

莫林·汉森说:所以在这项研究中,我们完成了使羧酶体发挥作用所需的[去除碳酸酐酶(anhydrase]步骤。

在此论文中,作者描述了使用CRISPR/Cas9基因编辑技术来禁用表达存在于叶绿体中的两种碳酸酐酶(carbonic anhydrase enzymes)的基因。过去,另一个研究小组使用不同的方法去除了99%的碳酸酐酶活性,植物生长正常。但是当莫林·汉森和其同事消除了100%的此酶活性时,植物几乎没有生长。这表明植物需要这种酶来制造碳酸氢盐,而碳酸氢盐用于制造叶组织成分的途径,莫林·汉森说。

当他们将植物放入高CO2生长室时,它们恢复正常生长,因为大量的CO2导致自发反应形成碳酸氢盐。该团队认为他们有一种解决方法可以去除碳酸酐酶,并且仍然有足够的碳酸氢盐。在最近由一项为期三年、近80万美元的美国国家科学基金会资助的未来研究中,他们计划在叶绿体膜上放置一个碳酸氢盐转运蛋白,以便将细胞其他部分的碳酸氢盐导入叶绿体。除了使酸酐酶变得不必要外,额外的碳酸氢盐有望在羧酶体被改造成叶绿体之前改善光合作用。

实验表明,与先前持有的观点相反,不存在碳酸酐酶(carbonic anhydrase)不会干扰光合作用。

一个潜在的问题是,已知在叶绿体中发现的碳酸酐酶(carbonic anhydrase)参与植物的防御途径。然而,莫林·汉森小组的研究人员发现,他们可以加入一种无酶活性的碳酸酐酶(carbonic anhydrase),并且仍能保持植物的防御能力。莫林·汉森说:我们现在知道我们可以制造一种不会影响我们的碳浓缩机制,但仍能让作物(crop plants)对病毒具有抗性的无活性酶。”

该研究由美国国家科学基金会的合成生物学计划资助。上述介绍,仅供参考。欲了解更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道

大肠杆菌为改善光合作用提供途径

2020 9 21 科学家设计了一种关键的植物酶并将其引入大肠杆菌中,以便为研究如何加速光合作用创造最佳实验环境,这是一种神圣的...

增强光合作用能在多大程度上提高作物产量?

2019 4 8 ——在接下来的20年里,作物产量需要大幅增加,才能养活不断增长的全球人口。如果我们有一个水晶球来向我们展示什么是最好的,那不是非常有用吗?

细菌如何构建超高效的光合作用机器

2019 1 24 面临人口更多、气候更加不确定的未来,研究人员正在寻找提高作物产量的方法,他们正在寻找光合细菌的工程解决方案。...

Significance

Carbonic anhydrase enzymes located in chloroplast stroma have been hypothesized to facilitate photosynthesis in C3 plants because they catalyze a reaction involving bicarbonate and CO2, a substrate of the carbon-fixing enzyme RuBisCO. To test this possibility, tobacco mutants completely lacking chloroplast stromal carbonic anhydrase activity were produced by CRISPR/Cas9 mutagenesis. The plants displayed normal photosystem II activity and CO2 assimilation but also abnormal development and increased reactive oxygen species and stromal pH. We conclude that chloroplast carbonic anhydrase does not play a direct role in providing CO2 for carbon fixation. Instead, as is also true in microorganisms, carbonic anhydrase is necessary to supply bicarbonate for biosynthetic processes.

Abstract

The enzyme carbonic anhydrase (CA), which catalyzes the interconversion of bicarbonate with carbon dioxide (CO2) and water, has been hypothesized to play a role in C3photosynthesis. We identified two tobacco stromal CAs, β-CA1 and β-CA5, and produced CRISPR/Cas9 mutants affecting their encoding genes. While single knockout lines Δβ-ca1 and Δβ-ca5 had no striking phenotypic differences compared to wild type (WT) plants, Δβ-ca1ca5 leaves developed abnormally and exhibited large necrotic lesions even when supplied with sucrose. Leaf development of Δβ-ca1ca5 plants normalized at 9,000 ppm CO2. Leaves of Δβ-ca1ca5 mutants and WT that had matured in high CO2 had identical CO2 fixation rates and photosystem II efficiency. Fatty acids, which are formed through reactions with bicarbonate substrates, exhibited abnormal profiles in the chloroplast CA-less mutant. Emerging Δβ-ca1ca5 leaves produce reactive oxygen species in chloroplasts, perhaps due to lower nonphotochemical quenching efficiency compared to WT. Δβ-ca1ca5 seedling germination and development is negatively affected at ambient CO2. Transgenes expressing full-length β-CA1 and β-CA5 proteins complemented the Δβ-ca1ca5 mutation but inactivated (ΔZn-βCA1) and cytoplasm-localized (Δ62-βCA1) forms of β-CA1 did not reverse the growth phenotype. Nevertheless, expression of the inactivated ΔZn-βCA1 protein was able to restore the hypersensitive response to tobacco mosaic virus, while Δβ-ca1 and Δβ-ca1ca5 plants failed to show a hypersensitive response. We conclude that stromal CA plays a role in plant development, likely through providing bicarbonate for biosynthetic reactions, but stromal CA is not needed for maximal rates of photosynthesis in the C3 plant tobacco.




https://m.sciencenet.cn/blog-212210-1300089.html

上一篇:剖析SARS-CoV-2 δ变种的异常生物学(修改稿)
下一篇:用微波屏蔽超冷分子

0

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2022-11-29 21:55

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部