科研人员破解真核生物光合碳浓缩机制

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文章导读

你是否想过，让水稻、小麦的光合作用效率突破极限？中国科学院科研团队最新破解了真核藻类高效固碳的“秘密武器”——CO2浓缩机制中关键转运蛋白LciA的结构与底物选择机制。通过冷冻电镜揭示其精准识别HCO3⁻的分子原理，并首次实现对HCO3⁻转运活性的理性改造。更令人振奋的是，研究团队成功将细菌通道改造成HCO3⁻转运新元件，还挖掘出藻类中可优化的叶绿体转运蛋白。这项发表于《自然-植物》的成果，为设计高光效作物提供了核心元件与全新路径，或将重塑未来粮食生产的底层逻辑。

— 内容由好学术AI分析文章内容生成，仅供参考。

近期，中国科学院分子植物科学卓越创新中心揭示了莱茵衣藻CO₂浓缩机制（CCM）中HCO₃^⁻转运通道LciA蛋白的底物选择性机制，并通过结构指导的分子设计，实现了HCO₃^⁻转运活性的理性改造，为利用CCM改造C3（如小麦、水稻等）作物以提升光合效率，提供了重要元件与分子策略。

在长期演化中，光合藻类形成了高效的CO₂浓缩机制。这一机制通过无机碳转运蛋白提升RuBisCo周围的CO₂浓度来加速固碳反应发生，进而提升光合作用效率。将藻类CCM导入C3作物，被认为是突破现有光合效率极限的前沿策略。

研究团队利用冷冻电镜技术，解析了LciA蛋白的高分辨率三维结构，揭示其选择性识别底物HCO₃^⁻的关键机制——氨基酸残基Lys220通过静电作用精准捕获带负电的HCO₃^⁻，而氨基酸残基Ala117与Val267形成空间约束，协同确保了底物的高特异性。实验表明，关键氨基酸位点突变K136A与A114F，能够增强LciA蛋白的HCO₃^⁻转运活性，验证了结构分析的准确性。

基于这一结构蓝图，研究团队对LciA蛋白的所属的FNT及NAR1家族成员展开理性设计。一方面，团队将细菌亚硝酸盐通道NirC，改造为具有HCO₃^⁻转运活性的新型元件；另一方面，团队发现，莱茵衣藻叶绿体膜的转运蛋白NAR1.1和NAR1.5具有HCO₃^⁻转运活力，通过优化NAR1.1的位点，可提升其HCO₃^⁻转运活性。