革命性三维快照揭示光合作用背后的“秘密机器”

革命性三维快照揭示光合作用背后的“秘密机器”图片显示的是植物RNA聚合酶PEP的高分辨率三维模型，它在光合作用中发挥着核心作用。图片来源：PaulaFavorettiVitaldoPrado和JohannesPauly/MPI-NAT,UMG没有光合作用，就没有空气可呼吸--光合作用是地球上所有生命的基础。这一复杂的过程使植物能够利用太阳光能将二氧化碳和水转化为化学能和氧气。这一转化过程在叶绿体中进行，叶绿体是光合作用的核心。叶绿体是在进化过程中形成的，当时今天植物细胞的祖先吸收了一种光合蓝藻。随着时间的推移，这种细菌越来越依赖于它的"宿主细胞"，但仍保留了一些重要的功能，如光合作用和细菌基因组的一部分。因此，叶绿体仍然拥有自己的DNA，其中包含"光合作用机器"关键蛋白质的蓝图。从PEP到能源马克斯-普朗克多学科科学研究所（MPI）研究组组长、哥廷根大学医学中心教授、哥廷根"多尺度生物成像"（MBExC）英才集群成员豪克-希伦（HaukeHillen）教授博士解释说："一种独特的分子复制机器，即名为PEP的RNA聚合酶，从叶绿体的遗传物质中读取遗传指令。希伦强调说，它对于激活光合作用所需的基因至关重要。没有正常运作的PEP，植物就不能进行光合作用，就会变成白色而不是绿色。"不仅复制过程复杂，复制机器本身也很复杂：它由一个多亚基核心复合体（其蛋白质部分在叶绿体基因组中编码）和至少12个相关蛋白质（称为PAPs）组成。植物细胞的核基因组为这些蛋白提供了蓝图。汉诺威莱布尼茨大学植物学研究所教授ThomasPfannschmidt博士说："到目前为止，我们已经能够从结构和生物化学角度描述叶绿体复制机的一些单独部分，但我们还缺乏对其整体结构和单个PAPs功能的精确了解。"3D详细快照通过密切合作，豪克-希伦（HaukeHillen）和托马斯-普范施密特（ThomasPfannschmidt）领导的研究人员现在首次成功地以3.5埃（比毫米小3500万倍）的分辨率对19个亚基的PEP复合物进行了三维可视化。"我们从植物研究的典型模式植物--白芥子中分离出了完整的PEP，"Pfannschmidt团队的成员、现发表在《分子细胞》（MolecularCell）杂志上的这项研究的第一作者之一弗雷德里克-阿伦斯（FrederikAhrens）介绍说。随后，科学家们利用冷冻电子显微镜创建了由19个部分组成的PEP复合物的详细三维模型。为此，研究人员对样本进行了超高速速冻。然后，研究人员从多个角度对复制机进行了数千次拍摄，直至原子级别，并通过复杂的计算机计算将它们组合成一个整体图像。"结构快照显示，PEP核心与其他RNA聚合酶（如细菌或高等细胞的细胞核）中的核心相似。然而，它包含叶绿体特有的特征，这些特征介导了与PAPs的相互作用。后者只有在植物中才能发现，而且它们的结构非常独特，"国际植物研究所博士生、MBExC赫莎-斯波纳学院成员、该研究的第一作者PaulaFavorettiVitaldoPrado解释说。科学家们已经假定，PAPs在读取光合作用基因的过程中发挥着各自的功能。"我们可以看到，这些蛋白质以一种特殊的方式排列在RNA聚合酶核心周围。根据它们的结构，PAPs很可能以各种方式与核心复合体相互作用，并参与基因读取过程，"Hillen补充说。了解光合作用的演变研究小组还利用数据库寻找进化线索。他们希望找出在其他植物中观察到的复制机结构是否相似。Pfannschmidt说："我们的研究结果表明，PEP复合物的结构在所有陆生植物中都是相同的。关于叶绿体DNA复制过程的新发现有助于我们更好地了解光合作用机器生物发生的基本机制。这些发现对未来的生物技术应用也很有价值。"编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1422939.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1422939.htm

中科院团队成功解析叶绿体基因转录机器的结构 研究成果登上《细胞》封面

中科院团队成功解析叶绿体基因转录机器的结构研究成果登上《细胞》封面中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余研究团队和华中农业大学周菲研究团队合作，成功解析了叶绿体基因转录机器的结构。3月1日，该成果以封面文章的形式在线发表在国际顶级学术期刊《细胞》上。张余研究团队和合作者，利用叶绿体转化技术，在烟草叶绿体基因转录机器上引入特征性的“捕获标签”，通过纯化烟草内源的叶绿体基因转录机器，利用单颗粒冷冻电镜技术，最终解开了PEP的真面目。此项研究为植物叶绿体生物反应器的效率提升提供了着手点，助力重组疫苗、重组蛋白药物、和天然产物的生产。此外，还为光合作用系统基因表达水平的提高提供了新思路，助力植物高效碳汇。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1421959.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1421959.htm

由于空气更清新 植物在周末的光合作用“生产力”更高

由于空气更清新植物在周末的光合作用“生产力”更高研究人员分析了2018年至2021年间欧洲植物叶片中叶绿素发出的光量的卫星测量结果，这代表着光合作用的发生量。通过与同期空气污染的卫星测量结果进行比较，他们发现，当气溶胶含量较低时，光合作用率就会提高。气溶胶是一种污染，包括灰尘以及由野火和人类活动产生的烟雾。气溶胶会阻止阳光照射到地球表面，从而影响植物的光合作用能力。当大气中的气溶胶污染较少时，更多的阳光可以照射到植物的叶子上。道路车辆产生的气溶胶污染会限制植物的光合作用能力图源：AlekseiGorodenkov/Alamy研究人员发现，在欧洲64%的地区，周末的光合作用率较高。He说：“周末的交通和工业活动较少，空气比工作日更清新，因此我们看到了很强的‘周循环’。”此外，与其他年份相比，2020年的气溶胶污染由于covid-19大流行而大幅减少，因此在这一年，植物一整周都很有“生产力”。研究表明，降低气溶胶含量，尤其是运输或工业生产过程中产生的气溶胶含量，可以让植物捕获并储存更多的碳。He说：“改善空气质量不仅有利于人们的健康，而且对生态系统的生产力也非常有利。”相关论文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2306507120...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1399227.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1399227.htm

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、UCBNiyogi实验室前博士后研究员DhruvPatel-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》（ScienceAdvances）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》（NatureCommunications）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（KrisNiyogi）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：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435187.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435187.htm

新研究：提高大豆光合作用效率可大幅增加产量

新研究：提高大豆光合作用效率可大幅增加产量一项新研究说，通过基因改造可以提高大豆光合作用效率，使大豆在质量不变情况下最多可增产33%。光合作用指植物利用光能，将水和二氧化碳转化为有机物并释放氧气的过程。据介绍，遇到过强光照时，植物出于自我保护会激活叶黄素循环，从而使叶片释放多余能量，免受强光侵害；当光照因遮挡等原因减弱时，叶黄素循环这一保护性机制就会关闭，从而使植物叶片可在适当光照强度下进行光合作用。植物关闭叶黄素循环的“切换”过程往往持续数分钟，对农作物来说，这浪费了本可用于光合作用的时间。在农作物整个生长周期中，这些零碎的“数分钟”合起来占据不少时间。美国伊利诺伊大学厄巴纳-尚佩恩分校研究人员领衔的团队近日在美国《科学》杂志发表论文说，大豆中被称为“VPZ”的结构可以调控叶黄素循环，该结构包含3个编码与叶黄素循环有关蛋白质的基因。在田间试验中，研究人员把大豆“VPZ”结构包含的3个基因过表达，加速了关闭叶黄素循环的“切换”过程，提高了大豆光合作用效率。结果显示，大豆产量提高20%以上，产量最高区域增产33%，并且没有影响大豆质量。研究人员先前已在烟草试验田内做过类似试验，证实对烟草的基因改造有助于提升光合作用效率，因此把试验对象拓展到大豆。眼下他们已在更多区域种下这种经过基因改造的大豆，预计2023年年初可以获得结果，以进一步验证效果。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1307905.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1307905.htm

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。