《自然》子刊：基因编辑使玉米光合作用更高效，对抗气候变化

当地时间10月1日，澳大利亚国立大学（ANU）的研究小组在《自然》杂志子刊《自然-植物》上发表论文表示，可以通过靶向Rubisco酶来提高玉米的光合生产力。

由于动物不能直接利用大气中的二氧化碳（CO2），因此植物通过光合作用产生的有机物不仅供植物使用，动物也可以通过食用植物而得到有机物。这使得植物的光合生产力显得极为重要。

Rubisco酶，全名核酮糖二磷酸缩化酶，大量存在于植物细胞的叶绿体中，是光合作用中限速步骤的催化剂，也是光合作用中的主要酶，帮助植物在自然界中将碳固定化，即将碳从CO2的形态转变成葡萄糖等有机物的形态。

玉米则是全球性的重要粮食作物之一，其年种植量比水稻和小麦多。在澳大利亚，玉米是所有大田作物中地理分布最广的作物，也是重要的粮食和生物燃料，但其产量与小麦或水稻相比却并不大。

由于Rubisco酶的转换周期较长，科学家们一直希望能够对此做出改进。而改变Rubisco酶催化特性的一种方法是增加其在四碳植物叶绿体中的丰度，这将会增强Rubisco酶活力，并获得更高的碳同化率。

碳同化是指植物利用光反应中形成的同化力（ATP和NADPH），将CO2转化为碳水化合物的过程。碳同化率越高，表示该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，它们可以利用较少的氮完成反应。如果我们增加玉米中的Rubisco酶含量，会对植物有什么作用？我们发现通过促进玉米细胞内Rubisco酶的增加，作物生产力得到了提高。”美国康奈尔大学附属博伊斯汤普森研究所的联合研究员大卫·斯特恩（David Stern）说。

该研究小组通过Rubisco装配伴侣蛋白RAF1对Rubisco酶大亚基抗体（LS）和Rubisco酶小亚基抗体（SS）进行过表达。虽然LS和SS的过表达对Rubisco酶的含量变化没有具体影响，但添加的伴侣蛋白RAF1使得Rubisco酶的含量增加超过30%。通过气体交换，UBI-LSSS-RAF1型转基因玉米的碳同化增加了15%。

“我们认为这将有利于玉米的生长，并提高玉米对极端成长环境的容忍度。”澳国立ARC转化光合作用杰出中心、研究小组组长罗伯特·沙伍德（Robert Sharwood）表示。

地球上的每一株植物都利用光合作用从大气中获取二氧化碳，但并非都以相同的途径获取到二氧化碳。像小麦和水稻这样的植物使用的是传统而低效的C3光合作用途径（即三碳植物），而其他如玉米和高粱等则使用的是更为有效的C4光合途径（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。同时四碳植物能利用强日光提高自身在强光、高温下的光合速率，干旱时还可以收缩部分气孔孔径，减少蒸腾失水，因此四碳植物能有效提高水分的利用率。这些特性在干热地区有明显的选择优势，而研究人员预计在未来几十年里，干燥和炎热，将成为植物生存的普遍环境条件。

“我们能预期到的气候变化，都会对全球粮食安全产生更大的威胁，”沙伍德表示，“这使得我们对高生产力、高适应力的农作物的需求迫在眉睫。”