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。

科学家在蓝藻中发现了一种新的酶功能 有望催生更好的碳捕捉作物

科学家在蓝藻中发现了一种新的酶功能 有望催生更好的碳捕捉作物 5月10日发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上的这项研究展示了一种名为羧基体碳酸酐酶（CsoSCA）的酶以前未知的功能，这种酶存在于蓝藻（又称蓝绿藻）中，能最大限度地提高微生物从大气中提取二氧化碳的能力。蓝藻因其在湖泊和河流中的有毒繁殖而广为人知。但这些蓝绿色的细菌分布广泛，也生活在世界的海洋中。虽然它们会对环境造成危害，但研究人员将它们形容为"微小的碳超级英雄"。通过光合作用，它们每年在捕捉全球约 12% 的二氧化碳方面发挥着重要作用。蓝细菌是一组光合细菌，通常被称为"蓝藻"，尽管它们是原核生物而不是真正的藻类。从海洋、淡水到裸岩，这些生物广泛存在于各种水生和陆地环境中。蓝藻以其进行含氧光合作用的能力而闻名，这意味着它们会产生氧气作为副产品，与植物类似。这一过程对地球上的生命至关重要，因为它为大气中氧气的产生做出了重要贡献。第一作者、澳大利亚国立大学博士研究员萨沙-普尔斯福德（Sacha Pulsford）介绍了这些微生物捕获碳的惊人效率。Pulsford女士说："与植物不同，蓝藻有一个称为二氧化碳浓缩机制（CCM）的系统，它能固定大气中的碳并将其转化为糖，其速度明显快于标准植物和农作物物种。"CCM 的核心是被称为羧基体的大型蛋白质区。这些结构负责封存二氧化碳，容纳 CsoSCA 和另一种叫做 Rubisco 的酶。CsoSCA 和 Rubisco 两种酶协同工作，显示出 CCM 的高效特性。CsoSCA 的作用是在羧基体内产生局部高浓度的二氧化碳，然后 Rubisco 可以吞噬这些二氧化碳，并将其转化为糖分供细胞食用。论文的主要作者、英国国立大学的本-朗博士说："到目前为止，科学家们还不清楚CsoSCA酶是如何受控的。我们的研究重点是揭开这个谜团，尤其是在遍布全球的一个主要蓝藻群中。我们的发现完全出乎意料。CsoSCA酶随着另一种名为RuBP的分子的旋律起舞，RuBP像开关一样激活了它。把光合作用想象成做三明治。空气中的二氧化碳是馅料，但光合作用细胞需要提供面包。这就是 RuBP。""就像做三明治需要面包一样，二氧化碳转化为糖的速度取决于 RuBP 的供应速度。CsoSCA酶向Rubisco提供二氧化碳的速度取决于RuBP的含量。当RuBP足够多时，酶就会开启。但是，如果细胞中的 RuBP 用完了，酶就会关闭，从而使系统高度调整和高效。令人惊讶的是，CsoSCA酶一直蕴藏在大自然的蓝图中，等待着被发现"。科学家们说，工程作物在捕获和利用二氧化碳方面的效率更高，这将大大提高作物产量，同时减少对氮肥和灌溉系统的需求，从而极大地促进农业发展，它还可以确保世界粮食系统更能适应气候变化。Pulsford 女士说："了解 CCM 的工作原理不仅能丰富我们对地球生物地球化学基本自然过程的认识，还能指导我们为世界面临的一些最大的环境挑战制定可持续的解决方案。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

“基因程序”让所有植物的祖先征服了旱地

“基因程序”让所有植物的祖先征服了旱地 哥廷根大学培养的两株 Zygnema。C 表示叶绿体，N 表示细胞核，P 表示类核。单细胞丝含有两个叶绿体和一个细胞核。现在，在内布拉斯加-林肯大学的领导下，一个由来自全球 20 个研究机构的 50 名科学家组成的团队绘制了四株古老的Zygnema藻类的基因组图谱，揭开了最早陆地植物的基因创新之路。内布拉斯加大学林肯分校的计算生物学家、该研究的共同通讯作者尹彦斌说："这是一个进化的故事。它回答了最早的陆生植物是如何从水生淡水藻类进化而来这一根本问题。"基因组测序是确定生物体完整遗传物质（DNA）的过程，并将其组装成一个可计算的表示形式。它为研究物种进化和了解遗传多样性提供了宝贵的资源。如果全基因组测序是在基因所在的染色体水平上进行的，则会更有用。绘制海藻基因组图谱揭示了陆生植物的进化过程 Klára Plíhalová/Wikimedia CommonsCC BY-SA 4.0研究人员利用德克萨斯大学奥斯汀分校的藻类培养库中的两个样株和德国哥廷根大学的两个样株，组建了四个多细胞藻类样株。Zygnema属于淡水和半陆生藻类Zygnematophyceae（双星藻属），有4000多个已描述的物种，能适应紫外线、极端干燥和冰冻等极端压力。陆生植物的一个显著特点是它们的多细胞体。多细胞基因与对环境压力的反应密切相关，为植物的适应性奠定了基础。研究人员利用尖端的DNA测序技术，生成了完整的染色体级藻类基因组。通过将这些基因组与其他植物和藻类的基因组进行比较，研究人员发现了双星藻属的基因创新。他们发现了涉及生长和发育、细胞分裂、细胞壁生物合成和重塑的"基因程序"，以及由环境线索触发的基因。基因的共同表达表明，它们共同感知环境并相应地调节植物生长。"我们的基因网络分析揭示了基因的共同表达，特别是那些在陆生植物和裸子植物最后的共同祖先中扩展和获得的细胞壁合成和重塑基因，"Yin说。"我们揭示了平衡环境响应和多细胞细胞生长机制的深层进化根源"。研究人员说，他们的发现将引发进一步的研究，这对生物能源、水的可持续性和碳封存都有重要意义。哥廷根大学的共同通讯作者扬-德-弗里斯（Jan de Vries）说："我们不仅为整个植物科学界提供了宝贵的高质量资源，使他们现在可以探索这些基因组数据，而且我们的分析还发现了环境反应之间错综复杂的联系。"这项研究发表在《自然遗传学》杂志上。 ... 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：

卫星视角观察加利福尼亚清湖的有毒藻类和背后的环境保护疏忽

卫星视角观察加利福尼亚清湖的有毒藻类和背后的环境保护疏忽 2024 年 5 月 15 日由 Landsat 9 号卫星上的 Operational Land Imager-2 拍摄的加利福尼亚清湖的卫星图像。2024 年 5 月中旬，藻类大量繁殖，加利福尼亚州清湖水域一片混浊。5 月 15 日，Landsat 9 号卫星上的 OLI-2（Operational Land Imager-2，陆地成像仪 2 号）拍摄到这幅图像时，湖面大部分区域都能看到明亮的绿色漩涡。藻华可能包含蓝绿藻（也称为蓝藻）以及其他类型的浮游植物，只有直接取样才能确定藻华的确切成分。蓝藻是一种单细胞生物，依靠光合作用将阳光转化为食物，有些蓝藻会产生微囊藻毒素，这是一种强烈的毒素，会刺激皮肤并导致肝脏和肾脏受损。清湖（Clear Lake）是一个天然营养丰富的富营养化湖泊，有利于藻类和水生植物的生长。该湖位于旧金山湾以北约 60 英里（100 公里）处，根据沉积物岩芯显示，该湖长期以来一直含有大量藻类，可能从约 1 万年前上一个冰河时代结束时就开始这样了。但近年来，人们增加了对湖水的营养输入，有害水华的数量也随之持续增加。在清湖已确认的 130 多种藻类中，有三种蓝绿藻在特定条件下会对人类健康造成不良影响。据莱克县官员称，这些有害藻类的大量繁殖往往发生在春季和夏末。磷等营养物质通过支流进入湖中，导致藻类过量生长。附近农场、葡萄园、有问题的化粪池系统、砾石矿和一个废弃的露天汞矿的径流也是造成湖泊水质问题的原因。一些诱发水华的营养物质存在于湖床沉积物中，只是在波浪作用和非本地鲤鱼的觅食和产卵行为下被搅动起来。水质分析工具显示，叶绿素-a（植物和浮游植物（包括藻类）中捕获阳光的色素）水平以及估算蓝藻浓度的指数在整个五月初都有所上升。这些估计值来自哨兵-3 号上的海洋颜色仪器，并由美国国家海洋和大气管理局国家海洋服务局（NOAA National Ocean Service）进行了额外处理。截至 5 月 25 日，当地的水质监测人员尚未测量出此次藻华的微囊藻毒素浓度。即使不存在毒素，大量的藻类仍会危害水生生物；细菌在分解死亡的浮游植物时会消耗氧气，从而导致缺氧和死亡区。美国国家航空航天局地球观测站的图片，由 Wanmei Liang 使用美国地质调查局的 Landsat 数据拍摄。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

"哨兵植物"可通过叶片中的压力传感器拯救作物

"哨兵植物"可通过叶片中的压力传感器拯救作物 经过特殊标记的"哨兵植物"很快就能对作物问题（如虫害或细菌感染）发出预警。这些植物将利用两个"发光"传感器，对叶片中与压力有关的化合物做出反应。最常用的两种信号分子是过氧化氢和水杨酸。四年前，麻省理工学院的迈克尔-斯特拉诺教授及其同事创造了一种叶片集成传感器，它能在过氧化氢存在时发出荧光。这种"传感器"实际上由许多单壁碳纳米管组成，每根碳纳米管都包裹着一条被称为寡聚体的合成 DNA 链。当把含有这些"电晕相分子识别"（CoPhMoRe）纳米传感器的载体溶液涂抹在叶片背面时，这些微小的物体就会穿过叶片表面被称为气孔的微小开口。纳米传感器最终进入叶肉中层，叶肉中层是叶片的内层，大部分光合作用都在叶肉中进行。当该层随后产生过氧化氢时，过氧化氢会与纳米传感器结合，使其发出荧光。这种荧光很容易用红外摄像机检测到。虽然过氧化氢的产生本身就能表明某些植物胁迫因素的存在，但如果能同时检测到水杨酸，那就更有用了。有鉴于此，斯特拉诺的团队改变了该技术中使用的低聚物结构，创造出了第二种CoPhMoRe纳米传感器，这种传感器在与水杨酸而不是过氧化氢结合时会发出荧光。在研究中，用水杨酸传感纳米传感器（蓝色）、过氧化氢传感纳米传感器（红色，右图）和惰性对照纳米传感器（绿色）处理单个植物叶片的不同部分。在对白菜植物进行的实验室测试中，将含有两种不同类型纳米传感器的溶液涂抹在同一片叶子的不同部位。然后让这些植物承受强光、高温、细菌感染和昆虫叮咬等压力。研究发现，前三种压力会在几分钟内产生过氧化氢，然后在两小时内的某个时间段产生水杨酸。不过，水杨酸出现的确切时间却因压力源的类型而有一致的差异。这意味着，如果用红外摄像机对经过 CoPhMoRe 增强的植物进行持续监测，农民就可以根据植物叶片从开始产生过氧化氢到随后产生水杨酸之间的时间间隔，判断植物是否处于光、热或细菌胁迫的早期阶段。如果只产生过氧化氢，那就意味着昆虫叮咬是罪魁祸首。当然，如果两种信号分子都没有产生，那就意味着植物没有问题。"这两个传感器结合在一起，可以准确地告诉用户植物正在承受什么样的压力。"Strano 教授说："在植物内部，你可以实时看到化学变化的起伏，每一种变化都是不同胁迫的指纹。我们正在将这项技术应用到诊断中，它能比任何其他传感器更快地为农民提供实时信息，足以让他们进行干预。"有关这项研究的论文最近发表在《自然通讯》杂志上。 ... PC版： 手机版：