创新背景

科学家们已经知道，植物可以通过加速光合作用来提高作物产量。在光合作用中，植物将二氧化碳、水和光转化为氧气和糖，用于植物提供能量和构建新组织。

多年来，汉森实验室的研究人员一直专注于Rubisco的研究，这是一种从二氧化碳中提取（或固定）碳以产生糖的慢速酶。除了速度慢之外，Rubisco有时也会催化空气中的氧气反应；这样做会产生一种有毒的副产品，浪费能源，并且会使光合作用效率低下。

创新过程

康奈尔大学农业和生命科学学院的植物分子生物学Liberty Hyde Bailey教授领导的名为“Improving the Efficiency of Rubisco by Resurrecting Its Ancestors in the Family Solanaceae”的研究发表在4月15日的《科学进展》杂志上。

研究团队开发了一种计算技术来预测产生Rubisco（一种用于光合作用的关键植物酶）的有利基因序列。这项技术使科学家们能够确定有希望的候选酶，这些酶可以被改造到现代作物中，最终使光合作用更有效并提高作物产量。

他们的方法依赖于进化史，研究人员预测了2000万至3000万年前的Rubisco基因，当时地球的二氧化碳（CO2）水平比现在高，植物中的Rubisco酶适应了这些水平。

通过复活古老的Rubisco进行的研究结果显示，随着人类活动增加地球大气中吸热的二氧化碳浓度，有希望开发出更快、更高效的Rubisco酶，将其应用到农作物中，帮助它们适应未来炎热、干燥的条件。

这项研究描述了98种Rubisco酶在茄科植物进化史上的关键时刻的预测，包括番茄、辣椒、土豆、茄子和烟草。研究人员以烟草为实验模型来研究Rubisco。

汉森实验室之前曾试图使用蓝藻（蓝绿藻）中的Rubisco，它速度更快，但也很容易与氧气反应，迫使研究人员试图创建微隔室来保护酶免受氧气的影响，结果好坏参半。其他研究人员试图通过改变Rubisco的氨基酸来设计更优的Rubisco，尽管很少有人知道哪些改变会导致想要的结果。

在这项研究中，研究人员用茄科植物重建了Rubisco的系统发育——一个显示生物群体进化关系的树状图。

汉森表示，通过在现有植物中获得的大量Rubisco遗传序列，可以构建一个系统发育树来找出哪些Rubisco可能存在于2000万到3000万年前。

识别潜在的古代Rubisco序列的优势在于，在2500万至5000万年前，大气中的二氧化碳含量可能高达百万分之500至800 (ppm)。现在，由于人类的许多活动，具有吸热作用的二氧化碳水平正在急剧上升，目前的测量值约为420 ppm，而在20世纪50年代之前的数十万年里，二氧化碳水平一直相对稳定在300 ppm以下。

随后，研究团队使用了汉森实验室为烟草开发的实验系统，并在2020年《自然植物》的一篇论文中描述了该系统。该系统使用大肠杆菌在一天内测试不同版本的Rubisco的功效。在植物中进行的类似测试需要几个月的时间来验证。

研究小组发现，从现代茄科植物中预测的古代Rubisco酶显示出了更有效的希望。

下一步，研究团队将利用CRISPR基因编辑技术，用这些祖先序列替换烟草中现有的Rubisco酶的基因，然后测量它如何影响生物量的生产。研究团队希望通过让Rubisco适应目前的条件，得到产量更高的植物。

如果他们的方法被证明是成功的，这些有效的Rubisco序列就可以被转移到西红柿、大豆和水稻等作物中。

创新价值

该研究描述了在寻求改善某些作物光合作用方面的突破，这是向使植物适应快速的气候变化和提高产量以养活2050年预计90亿人口迈出了一步。