很难挑剔一种可以利用阳光、水和空气制造食物的过程，但对于许多植物来说，仍有改进的空间。研究人员通过用蓝藻的酶改造植物，加速二氧化碳转化为糖的过程，在加强光合作用方面迈出了重要一步。
今天发表在《自然》杂志上的研究结果，克服了提高植物产量道路上一个令人生畏的障碍，随着世界人口的增长，这一目标变得越来越重要。
“由于用于农业的土地面积增加有限，人们对提高所有主要作物的产量非常感兴趣，”特拉华州纽瓦克化学公司杜邦作物保护部门的研究员史蒂文·古特里奇说。
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长期以来，研究人员一直希望通过靶向核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）来提高产量，Rubisco是负责将二氧化碳转化为糖的酶。Rubisco可能是地球上最丰富的蛋白质，可以占叶片中所有可溶性蛋白质的一半。
但其丰富的原因之一是其效率低下：植物产生如此多的Rubisco部分是为了弥补其缓慢的催化作用。 有人估计，调整Rubisco及其周围二氧化碳浓度的方法，可以将水稻和小麦等作物的产量提高多达60%。
光速
纽约州伊萨卡市康奈尔大学的植物遗传学家莫琳·汉森和她的同事决定从蓝细菌Synechococcus elongatus中借用一种速度更快的Rubisco。
包括汉森和英国哈彭登罗斯汉姆斯特德研究所的植物生理学家马丁·帕里在内的一个团队，将细菌Rubisco基因转移到烟草植物（Nicotiana tabacum）的叶绿体（光合作用发生的细胞器）的基因组中，这是一种常用的基因工程研究模型生物。 在某些植物中，研究人员还添加了一种被认为有助于Rubisco正确折叠的细菌蛋白。 在其他植物中，他们添加了一种在结构上支持Rubisco的细菌蛋白。
两种烟草都能利用细菌Rubisco进行光合作用，并且都比普通烟草更快地将CO2转化为糖。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的植物生物学家唐纳德·奥特说，这项工作为测试“速度更快的Rubisco可以产生更高产的植物”的假设奠定了重要的基础。但汉森很快指出，她的团队需要做更多的工作才能证明这一假设。
虽然细菌Rubisco的工作速度比烟草酶快，但它也更容易通过与氧气而不是CO2反应来浪费能量。光合细菌通过创建称为羧酶体的特殊结构来克服这个问题，这些结构包围着酶并创造出富含二氧化碳的环境，从而阻止浪费性反应。
如果没有羧酶体，汉森的转基因植物（也比普通植物表达的Rubisco少得多）必须在可以维持人为高浓度二氧化碳的室中生长。
然而，人们希望它们可能很快就能摆脱这种要求。今年6月，汉森的团队报告说，创造出了可以产生类似于细菌羧酶体结构的烟草。 汉森说，下一步将是在表达涡轮增压细菌Rubisco的植物中尝试这个实验。
奥特说，在未来五年内，有可能培育出具有功能性羧酶体的烟草植物。
本文经许可转载，并于2014年9月17日首次发表。