人們通常認為植物是光合作用的主宰者，光合作用是將陽光、二氧化碳和水轉化為可用能量的過程，但說到效率，它們卻被一個相當令人驚訝的對手擊敗：細菌。
植物利用礦物質和水等資源來促進生長，但它們也受到完成光合作用所需的酶的限制，特別是通常稱為 RuBisCo 的酶。
植物和細菌都依賴 RuBisCo 在光合作用的初始階段固定或轉化二氧化碳。不幸的是，RuBisCo 也會與氧氣發生反應，產生一種不可用的分子，植物必須花費更多的能量來回收。其結果是浪費的營養物質遠遠超過植物所需，既浪費了資源又浪費了金錢，並對作物產量施加了理論上的限制。
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最近，來自康奈爾大學和英國羅森斯蒂德研究所的研究團隊開始尋找繞過這一障礙的方法。他們選擇了細菌的基因，這些細菌已經進化出一種繞過這種困境的方法，並將它們插入植物細胞，希望細菌的加入能夠給植物帶來同樣的優勢，併為糧食作物提供一種在氣候變化壓力下提高產量的方法。
康奈爾大學分子生物學和遺傳學博士後研究員、該研究的負責人林·米亞特說：“如果證明有效，這項技術將減少植物所需的主要養分，如氮，尤其是水，同時增加產量。”這兩種養分對於任何農作物來說都是寶貴的補充，尤其是在乾旱日益加劇的壓力下。
在一些主要的糧食作物中，如小麥或水稻，不需要的 RuBisCo 反應大約發生在四分之一的時間裡。雖然像玉米這樣的一些農作物已經設計出減少這種浪費性反應可能性的方法，但它們需要額外的能量才能做到這一點。隨著人口的增長和資源的有限，尋找新的方法來避免農作物中的 RuBisCo 問題，而不消耗額外的能量，已經成為一個日益受到關注的課題。
藍藻的生存技能幫助了菸草
在過去的十年裡，作物產量的進步已經停滯不前。大多數增加生產力的明顯方法已經耗盡，或者已經證明對氣候有害，例如氮肥，迫使研究人員尋找替代方法（氣候導報，6月11日）。
米亞特說：“大約在 10 年前，我們就已經走完了傳統方法提高作物產量的過程，比如選擇性育種和施肥。”
“在那之後，我們不得不開始尋找將新的機制融入植物細胞本身的方法。”這時，來自細菌的基因開始被視為一種可能的解決方案。
當植物仍在苦苦思索如何提高 RuBisCo 的效率時，藍藻在數百萬年前隨著早期海洋獲得氧氣而提出了一個解決方案。藍藻不得不找到一種方法來限制它們的 RuBisCo 與不需要的氧氣發生反應，因此它們開發了專門的區室，稱為羧酶體，其中包含一種工作速度更快的 RuBisCo 和一種奇特的新技巧。
雖然確切的方法尚不清楚，但羧酶體似乎能夠將其 RuBisCo 酶周圍的 CO2 濃度提高到足以超過氧氣的程度，從而減少了不成功的反應並節省了細菌的能量。
在確定在植物中使用這種光合作用捷徑的實用性之前，米亞特和他的團隊首先需要證明羧酶體的膠囊是否能在植物細胞中形成。他們使用一種將選定的基因強行插入葉片氣孔或微小的氣體交換開口的方法，用熒光追蹤器標記這些基因，然後將它們注入菸草植物的葉片中。
將能量效率注入作物中？
透過追蹤插入的基因，他們發現這些蛋白質確實像它們應該做的那樣發揮作用，形成了它們在細菌中形成的相同的羧酶體外殼。
米亞特說：“我們能夠證明，我們可以將羧酶體成分放入植物細胞中，它們會像在藍藻中一樣組裝。”“現在我們可以開始新增羧酶體的內部成分，看看它是否真的能使植物更有效率。”
米亞特說，這項技術的應用還很遙遠，但隨著氣候變化繼續對農民和工業界施加壓力，要求他們找到更可持續的做法，羧酶體可以提供一種方法來減少作物消耗和浪費的養分量，同時產生更高的產量。
然而，關於該過程的可行性仍然存在許多問題，最重要的是植物是否會從引入的羧酶體中採用藍藻的 RuBisCo，還是繼續產生自己效率低下的形式，從而使該技術適得其反。接下來的試驗將包括去除菸草植物自身的 RuBisCo，以觀察它如何處理細菌版本。
但即使植物拒絕外來酶的幫助，米亞特的發現仍然可以有實際的應用。空的羧酶體外殼可以用作將其他分子或基因輸送到植物細胞中的一種傳遞方法。
米亞特總結道：“我們可以在這方面做很多事情，但這確實將是一個循序漸進的學習過程，在我們完成每一個步驟之前，我們不會知道這些優勢有多大或多實用。”
這項研究本週在《植物雜誌》上線上發表。
經環境與能源出版有限責任公司許可，轉載自氣候導報。www.eenews.net, 202-628-6500