利用人工光合作用种植作物

利用人工光合作用种植作物 光合作用通常是指绿色植物吸收光能后，把二氧化碳和水转化为有机物（包括可供食用的部分）和氧气。但这个过程的能量效率非常低只有约1%的太阳能会被植物利用。近日，通过一种人工光合作用的方法，将二氧化碳和水转化为了食物。 研究人员利用的是他们自主开发的两步串联电解装置，以及两步电催化方法：首先将二氧化碳和水转化为醋酸盐，然后在黑暗环境下培养可制造食物的生物体，这些生物体能够通过“吃”醋酸盐来繁殖。其中，电能是利用太阳能电池板产生的。研究人员表示，这种有机-无机混合系统可以将能量转化效率（太阳能到“食物”）最多提升到植物的18倍。 他们还探究了利用该技术种植农作物的潜力，结果发现，豇豆、番茄、烟草、大米、油菜和绿豌豆都能在黑暗环境中，使用醋酸盐中的碳来生长。研究人员表示，这种人工光合作用的方式或可以用在城市中以便种植作物，或用于未来的太空探索。

科学家发现光合作用的原子级秘密

科学家发现光合作用的原子级秘密 了解光合蛋白质的生产论文的共同作者、研究小组组长迈克尔-韦伯斯特（Michael Webster）博士说："叶绿体基因的转录是制造光合蛋白的基本步骤，光合蛋白为植物提供生长所需的能量。我们希望通过更好地了解这一过程在详细的分子水平上能够帮助研究人员开发出光合作用更强的植物。这项工作最重要的成果是创建了一个有用的资源。研究人员可以下载我们的叶绿体聚合酶原子模型，并利用它提出自己关于叶绿体聚合酶如何发挥作用的假设，以及检验这些假设的实验策略。"光合作用是在叶绿体内进行的，叶绿体是植物细胞内的一个小区块，它含有自己的基因组，反映了叶绿体在被植物吞噬和合并之前曾是自由生活的光合细菌。看到植物叶绿体中转录光合基因的聚合酶分子。用电子显微镜收集到的单个分子图像经过分类和排列，揭示了蛋白质复合体结构架构的细节。资料来源：迈克尔-韦伯斯特和伊斯卡-普拉马尼克约翰-英纳斯中心的韦伯斯特小组研究植物如何制造光合蛋白，光合蛋白是实现这一优雅化学反应的分子机器，它将大气中的二氧化碳和水转化为单糖，并产生氧气作为副产品。蛋白质生产的第一阶段是转录，通过读取基因产生"信使RNA"。转录过程由一种名为 RNA 聚合酶的酶完成。叶绿体 RNA 聚合酶的复杂性50 年前，人们发现叶绿体中含有自己独特的 RNA 聚合酶。从那时起，科学家们就对这种酶的复杂程度感到惊讶。它比它的祖先细菌 RNA 聚合酶有更多的亚基，甚至比人类的 RNA 聚合酶还要大。韦伯斯特小组希望了解为什么叶绿体具有如此复杂的 RNA 聚合酶。为此，他们需要对叶绿体 RNA 聚合酶的结构构造进行可视化。研究小组使用一种称为低温电子显微镜（cryo-EM）的方法，对从白芥子植物中纯化的叶绿体RNA聚合酶样本进行成像。原子级分析的启示通过处理这些图像，他们建立了一个包含分子复合体中 5 万多个原子位置的模型。RNA 聚合酶复合体由 21 个亚基组成，分别在核基因组和叶绿体基因组中编码。研究人员对这一结构进行了仔细分析，从而开始解释这些元件的功能。这个模型让他们确定了一种蛋白质，它能在DNA转录过程中与DNA相互作用，并引导DNA进入酶的活性位点。另一种成分可以与正在产生的 mRNA 相互作用，从而在 mRNA 转化为蛋白质之前保护它不被蛋白质降解。韦伯斯特博士说："我们知道叶绿体 RNA 聚合酶的每一个组成部分都起着至关重要的作用，因为缺少其中任何一个组成部分的植物都不能制造光合蛋白质，因此也就不能变绿。我们正在仔细研究原子模型，以确定装配的 21 个组件中每个组件的作用。"第一作者Ángel Vergara-Cruces博士说："现在我们有了一个结构模型，下一步就是确认叶绿体转录蛋白的作用。通过揭示叶绿体转录的机制，我们的研究有助于深入了解叶绿体在植物生长、适应和应对环境条件中的作用。"共同第一作者伊斯卡-普拉马尼克（Ishika Pramanick）博士说："从极具挑战性的蛋白质纯化开始，到为这一巨大复杂的蛋白质拍摄令人惊叹的低温电子显微镜图像，再到最终看到我们的工作成果的印刷版本，在这一非凡的工作历程中有许多令人惊喜的时刻。"韦伯斯特博士总结道："高温、干旱和盐度限制了植物进行光合作用的能力。面对环境压力仍能可靠地生产光合蛋白的植物可能会以不同的方式控制叶绿体转录。我们期待看到我们的研究成果被用于开发更强健作物的重要工作中。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

基因编辑技术新突破：可促进作物光合作用

基因编辑技术新突破：可促进作物光合作用 RIPE 团队利用 CRISPR/Cas9 技术，通过改变上游调控 DNA 来提高水稻的基因表达量。虽然其他研究已经利用该技术敲除或降低了基因的表达，但他们的研究是首次采用无偏见的基因编辑方法来提高基因表达和下游光合作用活性。资料来源：RIPE 项目"CRISPR/Cas9等工具正在加速我们微调作物基因表达的能力，而不仅仅是敲除基因或将其'关闭'。"该研究的第一作者、UCB Niyogi 实验室前博士后研究员 Dhruv Patel-Tupper 说："过去的研究表明，这种工具可以用来降低参与重要权衡的基因的表达，例如植物结构和果实大小之间的权衡。据我们所知，这是第一项研究，我们询问是否可以使用同样的方法来增加基因的表达，并以一种无偏见的方式改善下游活性。"这项研究发表在《科学进展》（Science Advances）上，是"实现光合效率提高"（RIPE）项目的一部分，该项目是由伊利诺伊大学领导的一项国际努力，重点是通过提高粮食作物的光合效率来增加全球粮食产量。利用天然植物基因与利用来自其他生物的基因来改善光合作用的合成生物学策略不同，参与光保护过程的基因天然存在于所有植物中。2018 年《自然-通讯》（Nature Communications）发表的一篇论文指出，通过在植物体内过量表达其中一种基因 PsbS，可以提高作物的水分利用效率，受此启发，Niyogi 实验室及其负责人克里斯-尼约基（Kris Niyogi）希望弄清楚如何在不添加外来 DNA 的情况下改变植物原生基因的表达。鉴于水稻是一种主食，而且三种关键光保护基因都只有一个拷贝，因此水稻被选为这项研究的理想对象。研究人员使用 CRISPR/Cas9 改变目标基因上游的 DNA，该 DNA 控制着基因的表达量和表达时间。他们的目标是发现这种改变如何能增强下游活性。"他们的实验结果超出了预期。"美国农业部 AAAS 科技政策研究员帕特尔-图珀说："DNA 中增加基因表达的变化比我们预期的要大得多，也比我们在其他类似报道中看到的要大得多。""我们有点惊讶，但我认为这说明了植物和作物的可塑性有多大。经过数百万年的进化和数千年的驯化，它们的DNA已经习惯了这些巨大的变化。"他补充说："作为植物生物学家，我们可以利用这种'回旋余地'，在短短几年内做出巨大改变，帮助植物更有效地生长或适应气候变化。"基因修饰的影响和效率研究人员了解到，反转或调控 DNA 的"翻转"会导致PsbS 基因表达的增加。这个项目的独特之处在于，在对 DNA 进行最大反转之后，研究小组成员进行了一次RNA测序实验，以比较水稻基因组中所有基因的活性在进行和未进行修改的情况下发生了怎样的变化。他们发现，有差异表达的基因数量非常少，比类似的转录组研究要少得多，这表明他们的方法并没有影响其他重要过程的活性。帕特尔-图珀补充说，虽然研究小组证明这种方法是可行的，但仍然比较罕见。他们培育出的植物中约有1%具有理想的表型。结论和对未来的影响帕特尔-图珀解释了这项研究的影响，他说："我们在这里展示了一个概念验证，即我们可以使用 CRISPR/Cas9 在关键作物基因中产生变体，并获得与传统植物育种方法相同的飞跃，但针对的是我们想要设计的非常集中的性状，而且时间尺度要快得多。这肯定比使用转基因植物方法更困难，但通过改变已经存在的东西，我们也许能够预先解决监管问题，这些问题可能会延缓我们将这样的工具迅速送到农民手中的速度。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家捕捉到光合作用“从水到氧”过程

科学家捕捉到光合作用“从水到氧”过程 日本冈山大学教授沈建仁等人成功捕捉到了负责植物光合作用的蛋白质中存在的催化剂吸收水分子的瞬间。研究报告发表在本周出版的《》期刊上。光合作用是指植物和藻类利用阳光分解水和二氧化碳、产生能量和氧气的反应。名为“光系统Ⅱ”的约 20 个蛋白质与叶绿素组成的复合体吸收光能，从水分子中分离电子和氢离子，形成氧气分子的过程是光合作用的开始。研究团队此前捕捉到水分子被光系统Ⅱ吸收之后的情形，但不知道这一过程中发生了什么。研究团队在 X 射线激光设施“SACLA”中，利用持续数十飞秒(1 秒的 1000 万亿分之一)的 X 射线进行闪光拍摄，捕捉到了光系统Ⅱ蛋白质的快速活动。用可见光照射蛋白质，在促进反应的同时，通过 X 射线照射分析了吸收水分子后立体结构发生变化的情形。 沈教授表示，今后将对光系统Ⅱ的最后一步，也就是出现氧分子的过程进行分析。如果能解析植物的光合作用，并应用其原理，或有望实现人工光合作用。来源 ， 图：圆形的大型放射光设施“SPring-8”和直线型的X射线自由电子激光设施“SACLA” 频道：@kejiqu 群组：@kejiquchat