1月8日，Nature Plants在線(xiàn)發(fā)表了上海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院黃繼榮研究組與中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心張鵬研究組合作完成的題為“Structure ofChlamydomonas reinhardtii LciA guided the engineering of FNT family proteins to gain bicarbonate transport activity”的研究論文。研究揭示了萊茵衣藻CO2濃縮機(jī)制CCM中HCO3?轉(zhuǎn)運(yùn)通道LciA的底物選擇性機(jī)制，并通過(guò)結(jié)構(gòu)指導(dǎo)的分子設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)HCO??轉(zhuǎn)運(yùn)活性的理性改造，為利用CCM改造C3作物提升光合效率提供了核心元件與分子策略。

光合藻類(lèi)在長(zhǎng)期演化中形成了高效的CO2濃縮機(jī)制CCM（CO2 concentrating mechanism），包括1,5-二磷酸核酮糖羧化/加氧酶（RuBisCo）的聚集體（如藍(lán)藻中的羧酶體carboxysome和衣藻中的蛋白體pyrenoid）和多個(gè)無(wú)機(jī)碳轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。CCM通過(guò)無(wú)機(jī)碳轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白提升RuBisCo周?chē)腃O2濃度來(lái)加速固碳反應(yīng)發(fā)生，從而顯著提升光合作用效率。近年來(lái)，將藻類(lèi)CCM導(dǎo)入C3作物被認(rèn)為是突破現(xiàn)有光合效率極限的前沿策略。目前，科學(xué)家已成功將有功能的羧酶體導(dǎo)入到植物葉綠體中，但C3作物中引入CCM機(jī)制仍面臨巨大挑戰(zhàn)。萊茵衣藻CCM中的LciA蛋白是目前唯一已知定位于葉綠體內(nèi)膜的HCO3?轉(zhuǎn)運(yùn)通道，因此被認(rèn)為是C3作物改造的靶標(biāo)。然而，對(duì)CCM中無(wú)機(jī)碳轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白功能機(jī)制的認(rèn)知缺陷和無(wú)機(jī)碳轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白元件的缺乏（目前為止尚未在高等植物中發(fā)現(xiàn)無(wú)機(jī)碳轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）限制了上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

將藍(lán)藻CCM導(dǎo)入植物葉綠體的改造策略

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)冷凍電鏡技術(shù)解析了LciA蛋白的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，首次揭示其選擇性識(shí)別底物HCO3?的關(guān)鍵機(jī)制：Lys220通過(guò)靜電作用精準(zhǔn)捕獲帶負(fù)電的HCO3?，而Ala117與Val267形成空間約束，協(xié)同確保了底物的高特異性。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，K136A與A114F位點(diǎn)突變可顯著增強(qiáng)LciA的HCO3?轉(zhuǎn)運(yùn)活性，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)確性。基于這一結(jié)構(gòu)藍(lán)圖，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)LciA所屬的FNT（formate/nitrate transporter）及NAR1（nitrate assimilation-related component 1）家族成員展開(kāi)理性設(shè)計(jì)：一方面，成功將細(xì)菌亞硝酸鹽通道NirC改造為具有HCO3?轉(zhuǎn)運(yùn)活性的新型元件；另一方面，發(fā)現(xiàn)萊茵衣藻定位于葉綠體膜的NAR1.1和NAR1.5具有HCO3?轉(zhuǎn)運(yùn)活力，并且通過(guò)位點(diǎn)優(yōu)化后可實(shí)現(xiàn)了NAR1.1的HCO3?轉(zhuǎn)運(yùn)活性的顯著提升。這些研究成果不僅破解了真核生物CCM中底物無(wú)機(jī)碳識(shí)別與轉(zhuǎn)運(yùn)的分子機(jī)制，而且實(shí)現(xiàn)了以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的HCO3?轉(zhuǎn)運(yùn)活性的理性設(shè)計(jì)與分子改造，為利用CCM改造C3作物提升光合效率提供了核心元件與分子策略。未來(lái)有望通過(guò)基因編輯技術(shù)將這些高效轉(zhuǎn)運(yùn)元件導(dǎo)入C3作物，在不增加施肥的前提下提升光合作用效率，為保障糧食安全提供科技支撐。

LciA結(jié)構(gòu)指導(dǎo)的HCO3?轉(zhuǎn)運(yùn)活性的設(shè)計(jì)與改造

該研究由上海師范大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心聯(lián)合完成，博士研究生郭嘉欣與博士后楊朝為該論文共同第一作者。中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心張鵬研究員、楊朝博士和上海師范大學(xué)黃繼榮教授為該論文的共同通訊作者。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院和上海市科委等的資助。

（供稿、圖片：生命科學(xué)學(xué)院）