《自然》子刊：基因編輯使玉米光合作用更高效，對抗氣候變化

當地時間10月1日，澳大利亞國立大學（ANU）的研究小組在《自然》雜誌子刊《自然-植物》上發表論文表示，可以通過靶向Rubisco酶來提高玉米的光合生產力。

由於動物不能直接利用大氣中的二氧化碳（CO2），因此植物通過光合作用產生的有機物不僅供植物使用，動物也可以通過食用植物而得到有機物。這使得植物的光合生產力顯得極為重要。

Rubisco酶，全名核酮糖二磷酸縮化酶，大量存在於植物細胞的葉綠體中，是光合作用中限速步驟的催化劑，也是光合作用中的主要酶，幫助植物在自然界中將碳固定化，即將碳從CO2的形態轉變成葡萄糖等有機物的形態。

玉米則是全球性的重要糧食作物之一，其年種植量比水稻和小麥多。在澳大利亞，玉米是所有大田作物中地理分布最廣的作物，也是重要的糧食和生物燃料，但其產量與小麥或水稻相比卻並不大。

由於Rubisco酶的轉換周期較長，科學家們一直希望能夠對此做出改進。而改變Rubisco酶催化特性的一種方法是增加其在四碳植物葉綠體中的丰度，這將會增強Rubisco酶活力，並獲得更高的碳同化率。

碳同化是指植物利用光反應中形成的同化力（ATP和NADPH），將CO2轉化為碳水化合物的過程。碳同化率越高，表示該植物光合作用的效率越高。

「玉米中所含的Rubisco酶是最高效的Rubisco活化酶之一，它們可以利用較少的氮完成反應。如果我們增加玉米中的Rubisco酶含量，會對植物有什麼作用？我們發現通過促進玉米細胞內Rubisco酶的增加，作物生產力得到了提高。」美國康奈爾大學附屬博伊斯湯普森研究所的聯合研究員大衛·斯特恩（David Stern）說。

該研究小組通過Rubisco裝配伴侶蛋白RAF1對Rubisco酶大亞基抗體（LS）和Rubisco酶小亞基抗體（SS）進行過表達。雖然LS和SS的過表達對Rubisco酶的含量變化沒有具體影響，但添加的伴侶蛋白RAF1使得Rubisco酶的含量增加超過30%。通過氣體交換，UBI-LSSS-RAF1型轉基因玉米的碳同化增加了15%。

「我們認為這將有利於玉米的生長，並提高玉米對極端成長環境的容忍度。」澳國立ARC轉化光合作用傑出中心、研究小組組長羅伯特·沙伍德（Robert Sharwood）表示。

地球上的每一株植物都利用光合作用從大氣中獲取二氧化碳，但並非都以相同的途徑獲取到二氧化碳。像小麥和水稻這樣的植物使用的是傳統而低效的C3光合作用途徑（即三碳植物），而其他如玉米和高粱等則使用的是更為有效的C4光合途徑（即四碳植物）。

相比三碳植物，Rubisco酶在四碳植物中的工作效率更高。同時四碳植物能利用強日光提高自身在強光、高溫下的光合速率，乾旱時還可以收縮部分氣孔孔徑，減少蒸騰失水，因此四碳植物能有效提高水分的利用率。這些特性在乾熱地區有明顯的選擇優勢，而研究人員預計在未來幾十年里，乾燥和炎熱，將成為植物生存的普遍環境條件。

「我們能預期到的氣候變化，都會對全球糧食安全產生更大的威脅，」沙伍德表示，「這使得我們對高生產力、高適應力的農作物的需求迫在眉睫。」

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