近日，我校廣東省粵北食藥資源利用與保護重點實驗室陳太鈺教授課題組關于CO?運輸與光合作用機制的兩項研究成果，相繼在國際著名植物科學領域頂級期刊《New Phytologist》（中科院一區(qū)TOP，5年影響因子為10.2）和《Plant Biotechnology Journal》（中科院一區(qū)TOP，5年影響因子為12.1）收錄發(fā)表。這標志著我校在植物科學領域的研究水平取得了顯著提升，也為學校科研實力的增強注入了新的動力。
成果一：揭示水稻OsβCA1基因調控CO?運輸與氣孔運動的新機制
1月30日，《New Phytologist》在線發(fā)表了課題組題為“Alternative Transcriptional Initiation of OsβCA1 Produces Three Distinct Subcellular Localization Isoforms Involved in Stomatal Response Regulation and Photosynthesis in Rice”的研究論文。
植物碳酸酐酶（Carbonic Anhydrase, CA）是光合作用、pH調節(jié)、氣孔運動、離子平衡及碳固定等過程的關鍵酶，不僅催化CO2水合為HCO3-，促進其在細胞質中快速擴散，而且還通過在葉綠體基質中催化HCO3-的脫水為Rubisco提供CO2。研究團隊通過對OsβCA1的cDNA全長測序數據分析，發(fā)現OsβCA1通過選擇性轉錄產生三種亞型（OsβCA1A、OsβCA1B和OsβCA1C)，分別定位于葉綠體、細胞膜和細胞質，其中，OsβCA1A/C和OsβCA1B分別約占OsβCA1總量的97%和3%。為了對不同亞型的主要生物學功能進行進一步分析，研究團隊針對三個轉錄本分別創(chuàng)制CRISPR敲除突變體。進一步的生理生化實驗證明：定位于葉綠體的OsβCA1A亞型通過向葉綠體基質中的Rubisco提供CO2參與到CO2的固定，而定位于細胞膜的OsβCA1B亞型則主要負責調控氣孔的孔徑和氣孔導度。
OsβCA1基因通過選擇性轉錄的方式產生三種不同亞細胞定位的碳酸酐酶
該研究首次揭示了水稻OsβCA1基因通過選擇性轉錄的方式產生三種不同亞細胞定位的碳酸酐酶亞型，并闡明了這些亞型在CO2擴散、固定以及氣孔運動調控中的功能分工。這一發(fā)現不僅豐富了植物CO2感知與利用的理論體系，還為提高作物CO2運輸效率、優(yōu)化碳固定機制以及高光效育種提供了新的研究方向。
成果二：創(chuàng)新Rubisco聚集策略，開辟光合作用效率提升新路徑
3月14日，《Plant Biotechnology Journal》在線發(fā)表了課題組題為“Engineering Rubisco Condensation in Chloroplasts to Manipulate Plant Photosynthesis”的研究論文。
該研究創(chuàng)新性地提出了一種通過改造Rubisco聚集特性來提升植物光合作用效率的策略：將天然具有形成二（寡）聚體特性的接頭蛋白融合至RbcL（Rubisco的大亞基）的C端。利用接頭蛋白的自聚集特性以及Rubisco本身八聚體的結構特征，觸發(fā)Rubisco的聚集。其中，超折疊綠色熒光蛋白（sfGFP）因其獨特的二聚體和具有熒光的特性被選為理想候選蛋白。通過葉綠體轉化技術，我們成功將sfGFP標記到RbcL的C端，且這一修飾既不影響Rubisco的正常表達與組裝，也不改變其酶活性特征。熒光顯微鏡觀察顯示，轉基因植株葉綠體中的Rubisco不再呈均質分布，而是形成了明顯的聚集點。進一步的光漂白后熒光恢復（FRAP）實驗證實，這些重組蛋白形成了典型的高度動態(tài)凝聚體（condensate），而非無活性的蛋白變性沉淀。
這些研究結果為后續(xù)引入羧酶體殼蛋白包裹內源Rubisco奠定了重要基礎。這一突破性進展為理解Rubisco的調控機制提供了新視角，同時也為作物高光效育種和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了新的技術路徑。
由寡聚接頭觸發(fā)Rubisco的高度動態(tài)凝聚體（condensate）
這兩項研究成果不僅為植物光合作用機制的理論研究提供了重要突破，也為作物高光效育種和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了新的技術支撐。課題組負責人陳太鈺教授表示，將繼續(xù)圍繞CO?運輸與固定機制開展深入研究，推動相關成果在農業(yè)生產中的應用，為實現糧食安全、應對氣候變化以及促進農業(yè)綠色轉型貢獻智慧和力量。
學校也將以此為契機，持續(xù)加強廣東省粵北食藥資源利用與保護重點實驗室建設，扎根粵北特色資源優(yōu)勢，深化與農業(yè)企業(yè)的產學研協(xié)同，為鄉(xiāng)村振興與區(qū)域經濟社會高質量發(fā)展注入科技動能。
