改造Rubisco，提高水稻光和效率

来源：MolPlant植物科学

2020年8月31日，Molecular Plant在线发表了日本立命馆大学的松村浩由研究组和神户大学的深山浩课题组共同合作完成的题为“Hybrid Rubisco with Complete Replacement of Rice Rubisco Small Subunits by Sorghum Counterparts Confers C4-Plant-like High Catalytic Activity”。该研究利用CRISPR/Cas9敲除水稻Rubisco的小亚基RbcS并和异源表达高粱的RbcS获得的转基因水稻表达出类似C4植物的催化特性。该工作解析了水稻野生型Rubisco和杂交型Rubisco的高分辨率晶体结构，并根据晶体结构数据推测和解释了两者催化速率(kcat)，二氧化碳的亲和力(Kc)和对二氧化碳的特异性(Sc/o)的差异原因。

在作者2011年已发表的工作中，通过在水稻中过表达高粱RbcS提高了Rubisco的催化活性 (Ishikawa et al. 2011) 。水稻中的RbcS有5个等位基因，其中OsRbcS1 不在光合器官中表达。作者利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，通过设计多靶点，在之前发表的高粱RbcS转基因水稻中进一步敲除了水稻除OsRbcS1以外的其它4个基因，OsRbcS2-5。 获得进一步的Rubisco替换水稻株系（CSS）。

作者发现替换植株Rubisco含量相较野生型有所下降，而光合催化活性指标kcat 和Kc则在CSS植株明显上升。而在高浓度CO2条件下，CSS植株相较野生型展现更高的CO2同化效率。增加CO2浓度可以恢复由于CSS在正常条件下可能因Rubisco酶大量减少导致的干物质积累量减少现象。作者最后又分别纯化水稻野生型和CSS的Rubisco复合体，分别获得1.75 and 1.70 高分辨率的两者晶体结构，并且推测了催化活性差异可能是由于Rubisco的中心孔和RbcS的βC-βD结构差异造成。

本文利用酶工程改造水稻的RbcS蛋白，让水稻这种C3植物产生部分C4植物的高光合转化效率表型。除了本文中主要研究的RbcS外，Rubisco大亚基（RbcL）和分子伴侣RAF1等酶工程改造也可以提高不同C3作物的光和转化效率以达到增产的效果 (Salesse-Smith et al. 2018; Whitney et al. 2015) 。本文通过转基因、酶学、植物生理学、结构生物学等方面手段验证C4植物RbcS在C3作物水稻有重要生物学意义和应用价值。

参考文献

Ishikawa, Chie, Tomoko Hatanaka, Shuji Misoo, Chikahiro Miyake, and Hiroshi Fukayama. 2011. “Functional Incorporation of Sorghum Small Subunit Increases the Catalytic Turnover Rate of Rubisco in Transgenic Rice.” Plant Physiology 156(3):1603–11.

Salesse-Smith, Coralie E., Robert E. Sharwood, Florian A. Busch, Johannes Kromdijk, Viktoriya Bardal, and David B. Stern. 2018. “Overexpression of Rubisco Subunits with RAF1 Increases Rubisco Content in Maize.” Nature Plants 4(10):802–10.

Whitney, Spencer M., Rosemary Birch, Celine Kelso, Jennifer L. Beck, and Maxim V. Kapralov. 2015. “Improving Recombinant Rubisco Biogenesis, Plant Photosynthesis and Growth by Coexpressing Its Ancillary RAF1 Chaperone.” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 112(11):3564–69.