人们通常认为植物是光合作用的主宰者，光合作用是将阳光、二氧化碳和水转化为可用能量的过程，但说到效率，它们却被一个相当令人惊讶的对手击败：细菌。
植物利用矿物质和水等资源来促进生长，但它们也受到完成光合作用所需的酶的限制，特别是通常称为 RuBisCo 的酶。
植物和细菌都依赖 RuBisCo 在光合作用的初始阶段固定或转化二氧化碳。不幸的是，RuBisCo 也会与氧气发生反应，产生一种不可用的分子，植物必须花费更多的能量来回收。其结果是浪费的营养物质远远超过植物所需，既浪费了资源又浪费了金钱，并对作物产量施加了理论上的限制。
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最近，来自康奈尔大学和英国罗森斯蒂德研究所的研究团队开始寻找绕过这一障碍的方法。他们选择了细菌的基因，这些细菌已经进化出一种绕过这种困境的方法，并将它们插入植物细胞，希望细菌的加入能够给植物带来同样的优势，并为粮食作物提供一种在气候变化压力下提高产量的方法。
康奈尔大学分子生物学和遗传学博士后研究员、该研究的负责人林·米亚特说：“如果证明有效，这项技术将减少植物所需的主要养分，如氮，尤其是水，同时增加产量。”这两种养分对于任何农作物来说都是宝贵的补充，尤其是在干旱日益加剧的压力下。
在一些主要的粮食作物中，如小麦或水稻，不需要的 RuBisCo 反应大约发生在四分之一的时间里。虽然像玉米这样的一些农作物已经设计出减少这种浪费性反应可能性的方法，但它们需要额外的能量才能做到这一点。随着人口的增长和资源的有限，寻找新的方法来避免农作物中的 RuBisCo 问题，而不消耗额外的能量，已经成为一个日益受到关注的课题。
蓝藻的生存技能帮助了烟草
在过去的十年里，作物产量的进步已经停滞不前。大多数增加生产力的明显方法已经耗尽，或者已经证明对气候有害，例如氮肥，迫使研究人员寻找替代方法（气候导报，6月11日）。
米亚特说：“大约在 10 年前，我们就已经走完了传统方法提高作物产量的过程，比如选择性育种和施肥。”
“在那之后，我们不得不开始寻找将新的机制融入植物细胞本身的方法。”这时，来自细菌的基因开始被视为一种可能的解决方案。
当植物仍在苦苦思索如何提高 RuBisCo 的效率时，蓝藻在数百万年前随着早期海洋获得氧气而提出了一个解决方案。蓝藻不得不找到一种方法来限制它们的 RuBisCo 与不需要的氧气发生反应，因此它们开发了专门的区室，称为羧酶体，其中包含一种工作速度更快的 RuBisCo 和一种奇特的新技巧。
虽然确切的方法尚不清楚，但羧酶体似乎能够将其 RuBisCo 酶周围的 CO2 浓度提高到足以超过氧气的程度，从而减少了不成功的反应并节省了细菌的能量。
在确定在植物中使用这种光合作用捷径的实用性之前，米亚特和他的团队首先需要证明羧酶体的胶囊是否能在植物细胞中形成。他们使用一种将选定的基因强行插入叶片气孔或微小的气体交换开口的方法，用荧光追踪器标记这些基因，然后将它们注入烟草植物的叶片中。
将能量效率注入作物中？
通过追踪插入的基因，他们发现这些蛋白质确实像它们应该做的那样发挥作用，形成了它们在细菌中形成的相同的羧酶体外壳。
米亚特说：“我们能够证明，我们可以将羧酶体成分放入植物细胞中，它们会像在蓝藻中一样组装。”“现在我们可以开始添加羧酶体的内部成分，看看它是否真的能使植物更有效率。”
米亚特说，这项技术的应用还很遥远，但随着气候变化继续对农民和工业界施加压力，要求他们找到更可持续的做法，羧酶体可以提供一种方法来减少作物消耗和浪费的养分量，同时产生更高的产量。
然而，关于该过程的可行性仍然存在许多问题，最重要的是植物是否会从引入的羧酶体中采用蓝藻的 RuBisCo，还是继续产生自己效率低下的形式，从而使该技术适得其反。接下来的试验将包括去除烟草植物自身的 RuBisCo，以观察它如何处理细菌版本。
但即使植物拒绝外来酶的帮助，米亚特的发现仍然可以有实际的应用。空的羧酶体外壳可以用作将其他分子或基因输送到植物细胞中的一种传递方法。
米亚特总结道：“我们可以在这方面做很多事情，但这确实将是一个循序渐进的学习过程，在我们完成每一个步骤之前，我们不会知道这些优势有多大或多实用。”
这项研究本周在《植物杂志》上在线发表。
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