藻类CCM为提高作物产量提供了机会

2019-12-27 413藻类

光合作用是植物和藻类吸收阳光并将二氧化碳转化为高能量糖类的自然过程,这种糖类能促进植物生长发育,对农作物来说,还能提高产量。藻类进化出专门的二氧化碳浓缩机制(CCM),比植物更有效地进行光合作用。本周,在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)杂志上,来自路易斯安那州立大学(Louisiana State University, LSU)和约克大学(University of York)的一个研究小组报告了绿藻CCM中一个长期无法解释的步骤——这是在粮食作物中开发一种功能性CCM以提高生产力的关键,藻类CCM为提高作物产量提供了机会。

研究背景

“大多数作物都受到光呼吸的困扰,当Rubisco(驱动光合作用的酶)不能区分维持生命的二氧化碳和浪费大量植物能量的氧分子时,就会发生光呼吸,”佛罗里达州立大学的校友教授James Moroney说。“最终,我们的目标是在作物中设计一种CCM,使Rubisco被更多的二氧化碳包围,使它更高效,更不容易吸附氧分子——随着温度升高,这个问题会变得更糟。”

RIPE项目由伊利诺伊大学领导,是一个国际研究项目,在比尔和梅琳达·盖茨基金会、美国粮食和农业研究基金会(FFAR)和英国政府国际发展部(DFID)的支持下,该项目通过提高作物的光合作用来提高作物的产量。

藻类CCM为提高作物产量提供了机会

二氧化碳相对容易通过细胞膜扩散,而碳酸氢盐(HCO3-)由于带负电荷,扩散速度要慢5万倍。绿藻衣藻属,又叫莱茵衣藻,通过三层细胞膜将碳酸氢盐运输到容纳Rubisco的隔间,称为蛋白核,在那里碳酸氢盐被转化为二氧化碳并固定为糖。

“在此之前,我们不知道碳酸氢盐是如何跨越第三个门槛进入除虫菊酯的,”Ananya Mukherjee说。“多年来,我们试图找到缺失的成分,但结果发现,在这一步中有三种运输蛋白参与其中——这是我们对莱茵衣藻CCM理解中缺失的环节。”

“虽然其他转运蛋白已知,但我们推测这些蛋白更容易与作物共享,因为与其他光合藻类(如蓝藻或硅藻)相比,衣原体与植物的关系更密切,“ 约克大学的讲师Luke Mackinder说,其在生物技术和生物科学研究理事会(BBSRC)和利华休姆信托基金的支持下,与RIPE团队合作开展这项工作。

藻类CCM为提高作物产量提供了机会,在作物中创建一个功能性的CCM需要三件事:一个储存Rubisco的隔间,运送小苏打到隔间的运输工具,以及把小苏打转化成二氧化碳的碳酸酐酶。

研究结果

在2018年的一项研究中,澳大利亚国立大学(Australian National University)的RIPE项目同事证明,他们可以在农作物中添加一个叫做羧基的隔间,它类似于拟除虫菊酯。现在这项研究完成了可能运输蛋白质的列表,这些蛋白质可以将重碳酸盐从细胞外运送到作物叶片细胞的这个羧基结构。

Moroney说:“我们的研究表明,在作物中建立一种功能性的CCM可以帮助作物保存更多的水,并可以显著减少作物光呼吸的能量消耗过程——随着温度升高,这一过程会变得更糟。”“开发能够更有效进行光合作用的抗气候作物对保护我们的粮食安全至关重要。”

引用

Louisiana State University. "Missing link in algal photosynthesis found, offers opportunity to improve crop yields." ScienceDaily. ScienceDaily, 5 August 2019.
www.sciencedaily.com/releases/2019/08/190805162829.htm.

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