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研究人员利用固碳酶增强玉米光合作用以提高产量
日期:2018-10-30 作者:编译:龚晶 来源:农科智库 点击:
     博伊斯·汤普森研究所(Boyce Thompson Institute, BTI)和康奈尔大学(Cornell University)的科学家们实现了通过增加核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(RuBisCO)这种固碳酶以极大增强玉米的光合作用。根据《自然-植物》(Nature Plants)10月1日刊的最新研究,该发现有望成为提高农业效益与产出的关键一步。
    RuBisCO的增加有助于玉米光合作用中的生理机制吸收大气中的二氧化碳,继而转化为碳水化合物。
    “每个代谢过程如光合作用,均存在类似于交通信号灯或减速带的因素,”康奈尔大学附属BTI的主席、植物生物学家大卫·斯特恩(David Stern)如是说道,“RuBisCO常为光合作用的限制因子。但是如果增加RuBisCO,这一众所周知的减速效用就会降低,光合效率便得以提高。”
    RuBisCO的正式学名为核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase),能够促进二氧化碳转化为糖。斯特恩表示,这种酶通常被认为是地球上含量最丰富的酶。
    然而对于商业性农业和玉米的碳四(四碳化合物)光合系统而言,RuBisCO的作用发挥缓慢。
    BTI的研究人员已经找到方法来过度表达一种叫做RuBisCO组装因子1(RuBisCO Assembly Factor 1)或称RAF1的关键分子伴侣酶,以助力产出更多RuBisCO。
    “这种酶需要借助其它蛋白质来进行组装,”第一作者、康奈尔大学植物生物学博士研究生科拉莉·萨莱斯(Coralie Salesse)说道。
    借助分子伴侣酶,科学家们事实上能削弱另一减速效用(这种减速效用会抑制RuBisCO形成正确生物构造的速率),从而使植物能够积累更多RuBisCO。
    萨莱斯表示,在发现RAF1和RAF2蛋白质之前,RuBisCO具体的形成原理已成谜多年。
    萨莱斯在澳大利亚国立大学(Australian National University)的罗伯特·舍伍德(Robert Sharwood)实验室和弗洛莱恩·布施(Florian Busch)实验室以及伊利诺伊大学(University of Illinois)的斯蒂芬·隆(Steven Long)实验室均进行了研究。萨拉斯发现,增加RuBisCO能够使温室植物更早开花,植株更高,产出更多生物质。
    “玉米是一种重要的作物,但其种植属于土地密集型与耗能型,因而减少其环境足迹就至关重要。单我国而言,玉米的种植面积约达9,000万英亩,近年来产量约为150亿蒲式耳。”康奈尔大学植物生物学兼职教授斯特恩说道。他解释道,有不同的方法可以提高每英亩生物质产量,其中增强光合作用这一方法能够增加每穗玉米的重量,继而提高单位产量。
    基于这一发现,斯特恩表示同样的方法有望用于增加高粱和甘蔗等其它碳四作物的产量。
    “我们从温室转移到田间,希望最终能够促进不同生产品种的生长与产量,”他说道,“涡轮式增强RuBisCO可奠定基础,以大力影响玉米作物成熟和生物质产出的能力,在结合其它方式时效果尤为突出。”
(来源:康奈尔大学   北京市农林科学院农业信息与经济研究所报道)
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