【Nature Commun】合成生物学是未来！利用合成生物学提高作物生长和产量的新途径

2023年4月25日，Nature Communications在线发表了英国利物浦大学刘鲁宁教授和华中农业大学林拥军教授团队及其合作者题为“Engineering α-carboxysomes into plant chloroplasts to support autotrophic photosynthesis”的研究论文。该研究在国际上首次将微生物的固碳核心元件移植到植物的叶绿体中，让植物细胞拥有更高效的光合作用和碳固定。这项具有里程碑意义的研究揭开了利用合成生物学方法对植物遗传改造、从而提高作物产量的新途径。

在未来20年里，受人口增长、气候变化、全球经济和地缘政治等因素的影响，如何提高农作物产量、消除粮食安全威胁是国际社会面临的共同挑战。

光合作用是植物将光能转化为化学能的过程，在植物生长发育中起着至关重要的作用。但是自然界的光合作用并不是一个完全高效的过程，其中一个关键的限速步骤源自于一种名为Rubisco的蛋白酶。Rubisco酶的主要功能是吸收大气中游离的二氧化碳分子，并将二氧化碳转化为生物能分子，比如蔗糖。然而空气中高浓度的O2可以抑制Rubisco的固碳活性，促进其氧气催化反应，产生植物毒性副产物，破坏整个光合作用过程和作物生长。如何改善这一生物过程已成为提高作物产量的一个关键问题。

为了解决这个问题，科学家们一直在研究和探索其他生物体中发现的CO2浓缩机制（CO2-concentrating mechanisms, CCM）1-4，以提高碳固定效率（图1）。相比于植物，生长在海洋和淡水的藻类和很多自养微生物具有更为高效的固碳细胞器—羧酶体— 和碳代谢途径，以应对复杂多样的生存环境，同时也贡献了25%的全球生物固碳5,6。是否可以借鉴这些藻类和微生物的固碳机理来优化植物体内的光合固碳效率？

图1：将基于羧酶体的CO2浓缩机制植入植物叶绿体、以增强光合固碳固和作物产量的策略示意图。

研究团队利用合成生物学和植物遗传工程技术，成功地将源自变形杆菌Halothiobacillus neapolitanus的全套羧酶体组分（包括Rubisco、碳酸酐酶和其他对羧酶体形成和功能必须的主要结构成分）植入到烟草植物细胞的叶绿体中，从而在植物体内构建了完整的羧酶体超分子复合物结构（图2）。

图2：利用合成生物学方法构建转化质粒，进行植物叶绿体转化，并在植物体内得到完整的羧酶体。

通过对植物生长和功能进行系统分析，研究人员进一步证明，烟草植株产生的羧酶体能够替代植物自身的Rubisco酶，支持植物的光合作用和生长，并在1% CO2的生长条件下实现完整的植物生长周期(图3)。

图3：表达羧酶体的烟草植株可在1% CO2条件下实现完整的自养生长周期。

“将完整的具有功能性的羧酶体植入作物中一直是一个长期追求的目标，在此之前尚未成功实施过。这项开创性的研究为通过提高植物细胞内的二氧化碳水平和固碳效率来促进光合作用和作物生长提供了一条潜在途径，将会对全球作物产量和粮食安全产生重要的影响。”《自然通讯》(Nature Communications)杂志资深编辑和审稿人对这项最新研究成果给予了高度评价。

近期，该研究团队也报道了成功将高催化速率的Rubisco酶转入到烟草叶绿体、以支持植物生长7。

“在植物内成功构建有功能的羧酶体是增强作物光合固碳的重要一步。”英国利物浦大学刘鲁宁教授说。“这为我们下面进一步优化植物工程改造、构建完整的固碳系统奠定了重要的理论基础。今后，我们也将把这一技术在其他粮食作物中的应用进行实验和推广，为提高农作物产量、实现碳中和和可持续发展提供新的解决方案和技术支持。”

利物浦大学、华中农业大学陈太钰博士为论文第一作者，华中农业大学林拥军和英国利物浦大学刘鲁宁教授为论文共同通讯作者。华中农业大学周菲、英国帝国理工大学Peter Nixon和英国埃塞克斯大学Tracy Lawson参与了该合作研究。

转自：“iPlants”微信公众号

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