消息
在固碳蛋白 Rubisco 的进化历史中发现的缺失环节
rubisco 酶存在于所有植物和其他光合作用生物中。 它在固定空气中的碳方面发挥着关键作用,并帮助塑造了地球上的生命。 现在,加州大学戴维斯分校、加州大学伯克利分校创新基因组学研究所和劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员已经从数十亿年前的环境微生物中鉴定出一种 rubisco。
在固碳蛋白 Rubisco 的进化历史中发现的缺失环节
加州大学戴维斯分校新闻 | 格雷格沃特里 | 31 年 2020 月 XNUMX 日
由加州大学戴维斯分校的研究人员领导的一个团队发现了光合作用和碳固定进化中的一个缺失环节。 可追溯到 2.4 亿多年前,一种新发现的植物形式 酶 rubisco 可以为植物进化和育种提供新的见解。
Rubisco 是地球上最丰富的酶。 存在于植物、蓝藻(也称为蓝绿藻)和其他光合生物中,它是固碳过程的核心,是地球上最古老的固碳酶之一。
“它是生产食物的主要驱动力,因此它可以消耗 CO2 从大气中提取,并将其固定在糖中,供植物和其他光合生物使用。 它是将碳以这种方式供给生命的主要驱动酶,”加州大学戴维斯分校生物科学学院植物生物学助理教授 Patrick Shih 实验室的博士后学者 Doug Banda 说。
I 型 rubisco 在 2.4 亿年前的大氧化事件之前进化,当时蓝藻通过光合作用产生氧气改变了地球的大气层。 Rubisco 与这一古老事件的联系使得它对研究生命进化的科学家很重要。
在 31 月 XNUMX 日发表的一项研究中 Nature Plants,班达和加州大学戴维斯分校的研究人员,创新 基因组学 研究所 (IGI) 和劳伦斯伯克利国家实验室报告发现了一种以前未知的 I 型 rubisco 亲戚,他们怀疑这种亲戚在蓝藻进化之前与 I 型 rubisco 不同。
新版本称为 form I-prime rubisco,是通过以下途径找到的 基因组 环境样品测序并在实验室合成。 I-prime rubisco 为研究人员提供了对 I 型 rubisco 结构演化的新见解,可能为这种酶如何改变地球提供线索。
看不见的世界
I 型 rubisco 负责地球上绝大多数的碳固定。 但是其他形式的 rubisco 存在于 菌 并且在组中 微生物 被称为 古. 这些 rubisco 变体有不同的形状和大小,甚至没有小的亚基。 然而它们仍然起作用。
“了解 I rubisco 形式如何进化的本质是了解小亚基如何进化,”施说。 “据我们所知,这是 rubisco 的唯一形式,它构成了这种大亚基的八聚体组装。”
研究合著者、IGI 研究员、加州大学伯克利分校地球与行星科学教授吉尔班菲尔德在表演后发现了新的 rubisco 变体 宏基因组 地下水样品分析。 宏基因组分析使研究人员能够检查 基因 和来自环境的基因序列,无需培养微生物。
“我们几乎不知道我们周围的世界存在什么样的微生物生命,因此绝大多数的多样性是不可见的,”班菲尔德说。 “我们交给帕特里克实验室的序列实际上来自任何数据库中都没有的生物体。”
班达和施成功 表示 在实验室中形成 I-prime rubisco 使用 E。大肠杆菌 并研究了它的分子结构。
Form I rubisco 由八个核心大分子亚基构成,八个小亚基位于顶部和底部。 结构的每一部分对于光合作用和碳固定都很重要。 与 I 型 rubisco 一样,I-prime rubisco 型由八个大的亚基构成。 然而,它不具备以前认为必不可少的小亚基。
“发现没有小亚基的八聚体红宝石使我们能够提出进化问题,即如果没有小亚基赋予的功能,生命会是什么样子,”班达说。 “具体来说,我们发现 I-prime 酶必须在没有小亚基的情况下进化出强化的相互作用,这使得在地球大气层迅速变化的时候结构稳定。”
根据研究人员的说法,I-prime rubisco 形式代表了进化史上一个缺失的环节。 由于形式 I rubisco 将无机碳转化为植物生物质,对其结构和功能的进一步研究可能会导致农业生产的创新。
“尽管人们对设计‘更好的’rubisco 有很大兴趣,但几十年来的研究几乎没有成功,”Shih 说。 “因此,了解这种酶是如何在数十亿年间进化的,可能会为未来的工程工作提供关键的见解,这最终可能会提高作物的光合生产力。”
该研究的其他作者是:加州大学戴维斯分校和 LBNL 的 Albert Liu; Jose Pereira 和 Paul Adams,联合生物能源研究所,LBNL; Christine He,加州大学伯克利分校; 迈克尔·哈默尔,LBNL; 和 Douglas Orr、Martin Parry 和 Elizabete Carmo-Silva,英国兰开斯特大学 这项工作得到了美国能源部、布兰科韦斯奖学金、生物技术和生物科学研究委员会(英国)、美国国立卫生研究院、陈扎克伯格生物中心、和创新基因组学研究所。
媒体联络
安迪·默多克:andymurdock@berkeley.edu