綠藻可能是設計快速生長作物的關鍵-植物百科全書

綠藻如何快速生長？兩個新的合作提供了洞察這些生物如何從空氣中吸收二氧化碳用於光合作用，這是它們快速接管游泳池或池塘的關鍵因素。瞭解這一過程可能有一天會幫助研究人員提高小麥和水稻等農作物的生長速度。

在本週發表在Cell雜誌上的兩項研究中，由卡內基和馬克斯普朗克生物化學研究所的合作者組成的普林斯頓領導的研究小組報告了第一個細胞庫的詳細清單，稱爲pyrenoid，藻類用於收集和濃縮二氧化碳，使光合作用過程比大多數其他藻類和植物更有效。

研究人員還發現長期以來被認爲是固體結構的pyrenoid實際上就像液滴一樣，當藻類細胞分裂時，它可以溶解到周圍的細胞介質中。

普林斯頓分子生物學助理教授兼前卡內基工作人員Martin Jonikas說：“瞭解藻類如何濃縮二氧化碳是實現其他植物光合作用改善目標的關鍵一步。”“如果我們能夠設計其他作物來集中碳，我們就能滿足世界對糧食日益增長的需求。”

水生藻類和少數其他植物已經開發出碳濃縮機制，提高光合作用的速度，植物將二氧化碳和陽光轉化爲糖類進行生長。所有植物都使用一種名爲Rubisco的酶將二氧化碳“固定”成糖，可以由植物使用或儲存。

藻類比許多陸地植物具有優勢，因爲它們將Rubisco酶聚集在pyrenoid內，其中酶遇到從空氣中泵入的高濃度二氧化碳。周圍有更多的二氧化碳可以讓Rubisco酶更快地發揮作用。

在本週報道的兩項研究中的第一項研究中，研究人員對一種稱爲萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）的藻類物種的碳濃縮機制的蛋白質進行了全面的研究。研究人員開發了快速標記和評估藻類蛋白質的方法，用於鑑定藻類蛋白質的位置和功能，詳細說明蛋白質之間的物理相互作用，從而形成一種類似於“相互作用組”的物質。

該研究揭示了89種新的pyrenoid蛋白質，包括研究人員認爲將碳引入pyrenoid的蛋白質和其他形成pyrenoid所需的蛋白質。他們還發現了三個以前未知的pyrenoid層圍繞着細胞器，就像洋蔥層一樣。

“這些信息代表了對這種必不可少的碳濃縮機械如何組織的最佳評估，並提出了探索其工作原理的新途徑，”該研究的第一作者，前Carnegie McClintock博士後研究員Luke Mackinder說道，他現在領導着一個團隊。約克大學的研究人員。

在第二項研究中，研究人員發現長期以來被認爲是固體結構的pyrenoid實際上是液體狀的。先前研究中使用的技術要求研究人員在成像前對藻類進行殺滅和化學保護。在這項新研究中，研究人員使用黃色熒光蛋白標記Rubisco並將其成像在生物體內。

在觀察藻類的時候，伊麗莎白弗里曼羅森茨威格，當時是斯坦福大學研究生，在卡內基的Jonikas小組工作，而Mackinder使用高功率激光在一半的pyrenoid上破壞Rubisco上的熒光標籤，同時將標籤留在另一個一半的pyrenoid完好無損。幾分鐘之內，熒光重新分佈到整個pyrenoid，表明酶很容易像在液體中那樣移動。

馬克斯普朗克生物化學研究所的博士後研究員和項目負責人Benjamin Engel利用另一種稱爲低溫電子斷層掃描的成像技術進一步探索了這一發現。他凍結並製備了整個藻類細胞，然後用電子顯微鏡對其進行成像，這種顯微鏡非常敏感，可以分辨出單個分子的結構。

該技術使Engel能夠以三維和納米分辨率顯示pyrenoid。通過將這些圖像與液體系統的圖像進行比較，研究人員證實，pyrenoid是由液體組成的。

“這是一個罕見的例子，其中經典遺傳學，細胞生物學和高分辨率成像方法都在一次調查中彙集在一起，”恩格爾說。

該研究使該團隊能夠詢問當單細胞藻類分成兩個子細胞時，pyrenoid如何傳遞給下一代。Freeman Rosenzweig指出，pyrenoid有時不能分裂，留下一個沒有pyrenoid的子細胞。

使用熒光蛋白，研究小組觀察到，未能接受一半pyrenoid的細胞實際上仍可自發形成一個。他們發現每個子細胞都會以溶解的形式接收到一定量的pyrenoid，並且這些幾乎檢測不到的成分會凝結成一個完整的pyrenoid。

“我們認爲細胞分裂前的pyrenoid溶解和分裂後的凝結可能是一種多餘的機制，以確保兩個子細胞都能得到pyrenoids，”Jonikas說。“那樣，兩個子細胞都將擁有這個對吸收碳有重要意義的關鍵細胞器。”

爲了進一步探討這種情況如何發生，Jonikas與普林斯頓大學的Ned Wingreen合作。他和他的團隊創建了一個計算機模擬Rubisco和另一種名爲EPYC1的蛋白質之間的相互作用 - 被發現對於Mackinder和其他人在Jonikas團隊中對pyrenoid至關重要 - 它像膠水一樣將多個Rubiscos粘在一起。

計算機模擬表明，pyrenoid的狀態 - 無論是濃縮的液滴還是溶解到周圍的隔室 - 都取決於EPYC1上結合位點的數量。在模擬中，Rubisco有八個綁定站點，或八個EPYC1可以連接到Rubisco的地方。如果EPYC1有四個結合位點，則兩個EPYC1正好填充一個Rubisco上的所有停靠站點，反之亦然。因爲這些完全鍵合的Rubisco-EPYC1配合物很小，它們形成溶解狀態。但是，如果EPYC1有三個或五個結合位點，它不能填滿所有Rubisco網站，並且Rubiscos上有開放網站用於通過額外的EPYC1進行綁定，這些EPYC1也有可以吸引其他Rubiscos的免費網站。結果是一團Rubiscos和EPYC1s形成液體狀的液滴。

根據EPYC1與Rubisco結合位點的比例，系統相位的變化可以被認爲是“神奇數字”效應，在物理學中通常用於描述特定數量的顆粒形成異常穩定狀態的條件。“這些神奇的數字除了與pyrenoid系統有關外，還可能在聚合物物理領域和合成生物學領域有一些貨幣，”Wingreen說。

Wingreen和Jonikas正在繼續他們的合作，並希望通過探索Rubisco和EPYC1的不同靈活性和配置在理論上開發該項目，並通過在試管中結合兩種蛋白質並操縱結合位點的數量進行實驗。

“以前的想法是，他們擁有的結合點越多，蛋白質越容易聚集，”Jonikas說。“發現有神奇的數字效應不僅對於pyrenoids很重要，而且可能對於在整個自然界中發現的許多其他類似液體的細胞器也很重要。”

卡內基植物生物學的臨時主任蘇瑞萊說：“很高興看到馬丁在卡內基發起的工作正在結出碩果，這不僅會對植物生物學和農業產生巨大影響，還會對生物工程和合成生物學產生巨大影響。”

通過進一步的研究，這些發現可能會爲確保快速增長的作物提供給不斷擴大的世界人口提供重要的見解。

圖片說明：普林斯頓大學主導的一項研究詳細介紹了藻類生長機制的一個重要部分，最終目標是利用這些知識改善糧食作物的生長。研究人員使用一種稱爲低溫電子斷層掃描的技術對稱爲pyrenoid的藻類結構進行成像，該結構濃縮了二氧化碳，使其更容易用於光合作用，從而增長。這個放大的pyrenoid內部圖像顯示了大量的碳固定酶，稱爲Rubiscos（藍色球狀結構）。綠色管內的黃色小管被認爲將二氧化碳和其他物質帶入pyrenoid。圖片由Max Planck生物化學研究所的Benjamin Engel提供。