在光合作用和碳固定的演变中发现的缺失链接

Rubisco是该球上最丰富的酶。存在于植物中，蓝藻（也称为蓝绿藻）和其他光合生物，它是碳固定过程中的核心，是地球最古老的碳固定酶之一。UC Davis和LBNL的研究人员现在已经发现了一种在环境样本中的Rubisco的替代形式。3D形式I Rubisco（左）的图像与新发现的形式I-Prime（右）相比。发现可以帮助了解酶如何工作和用于植物育种。

一支由加州大学戴维斯的研究人员领导的团队发现了光合作用和碳固定的演变中的缺失链接。达到超过24亿年，新发现的植物酶鲁米斯科可以为植物演化和繁殖提供新的洞察力。

Rubisco是该球上最丰富的酶。存在于植物中，蓝藻（也称为蓝绿藻）和其他光合生物，它是碳固定过程中的核心，是地球最古老的碳固定酶之一。

“这是生产食物的主要驾驶员，因此它可以从大气中取出二氧化碳并将其固定成糖和其他光合生物的糖。这是喂养碳的主要驾驶酶，即这种方式，“帕特里克·斯·生物科学植物生物科学植物生物学助理教授的博士教授，博士生博士学者博士·班达说。

IMRUBISCO在大量氧化事件之前在24亿年前演变，当Cyanobacteria通过光合作用产生氧气转化地球的大气时。Rubisco对这一古老事件的关系使科学家们对研究生活的演变来说很重要。

在2020年8月31日发布的一项研究中，在自然植物中，来自UC戴维斯，UC伯克利和劳伦斯伯克利国家实验室的Canda和研究人员报告了一个先前未知的形式Irubisco的相亲，他们怀疑侵蚀的形式I Rubisco在Cyanobacteria的演变之前。

通过环境样品的基因组测序和在实验室中合成，发现了名为I-Prime Rubisco的新版本，并在实验室中合成。形式I-Prime Rubisco为研究人员提供了新的洞察力，进入I rubisco形式的结构演变，潜在地提供关于该酶如何改变地球的线索。

一个看不见的世界

IMRUBISCO的表格负责地球上绝大多数碳固定。但其他形式的Rubisco存在于细菌中，并在称为古代的微生物组中。这些Rubisco变体具有不同的形状和尺寸，甚至缺乏小亚基。然而，他们仍然起作用。

“了解我如何形式的内在的东西，我如何发展是如何知道小亚基的发展方式，”Shih说。“这是我们所知道的鲁米斯科的唯一形式，这使得这种大亚基的八大号集会。”

学习联合作用UC Berkeley地球和行星科学部的Jill Banfield教授，在进行地下水样本上进行了雌噬菌素分析后发现了新的Rubisco变体。Metagenomic分析允许研究人员从环境中检查基因和遗传序列而不培养微生物。

“我们几乎没有关于我们周围世界存在的一种微生物生活，因此绝大多数普遍性都是隐形的，”班菲尔德说。“我们致帕特里克实验室的序列实际上来自于任何数据库中没有代表的生物。”

Banda和Shih在实验室中成功表达了I-Prime Rubisco，并使用大肠杆菌研究了其分子结构。

IM Rubisco是由八个核心大分子亚基建造的，其中八个小亚基栖息在顶部和底部。每个结构对光合作用和碳固定是重要的。类似于IMISCO的形式，I-Prime Rubisco是由八个大亚基建立的。然而，它没有以前认为必要的小亚基。

“没有小亚基的形式的八大数Rubisco发现，我们可以向我们提出关于在没有小亚基传授的功能的情况下看到的生命看起来的进化问题，”Banda说。“具体而言，我们发现，I-Prime酶必须在没有小亚基的情况下进化强化的相互作用，这在地球大气迅速变化时能够在一段时间内实现结构稳定性。”

根据研究人员，I-Prime Rubisco的形式代表了进化历史中的缺失链接。由于I Rubisco形式将无机碳转化为植物生物质，进一步研究其结构和功能可能导致农业生产的创新。

“虽然对工程有重大兴趣是一个”更好“的Rubisco，但几十年的研究已经取得了一点成功，”Shih说。“因此，了解酶如何发展到数十亿年可能会提供对未来工程努力的关键洞察力，这最终可能最终提高作物的光合生产力。”

参考：Douglas M. Banda，Jose H. Pereira，Albert K. Liu，Douglas J. Orr，Michal Hammel，Christine He，Martin AJ Parry，Elizabete Carmo-Silva，Paul D.撰写的“新型细菌进化枝揭示了I型Rubisco的起源”。亚当斯，吉里安·班菲尔德（Jillian F.Banfield）和帕特里克·施（Patrick M.Shih），2020年8月31日，自然植物。
10.1038 / s41477-020-00762-4

研究中的其他作者是：Albert Liu在UC Davis和LBNL;何塞佩雷拉和保罗亚当斯，联合生物能源研究所，LBNL;克里斯汀·赫尔克利;米科尔哈米尔，LBNL;兰卡斯特大学马丁帕里和伊丽莎布特卡尔莫 - 西尔瓦，兰卡斯特大学，英国，美国能源部，Branco Weiss奖学金，生物技术和生物科学研究委员会（英国），NIH，NIH，NIH，NIH，Chan Zuckerberg BioHub和ininnovub和ininnovub和ininnovub的工作部分得到了部分支持的工作基因组学研究所。