研究发现碳固定蛋白Rubisco的进化史中缺少联系

由加利福尼亚大学戴维斯分校的研究人员领导的一个研究小组发现了光合作用和碳固定过程的缺失。距今已有24亿年历史，一种新发现的植物酶rubisco形式可以为植物进化和育种提供新的见识。

Rubisco是地球上最丰富的酶。它存在于植物，蓝细菌(也称为蓝藻)和其他光合生物中，对碳固定过程至关重要，并且是地球上最古老的碳固定酶之一。

Doug Banda说：“它是生产食物的主要驱动力，因此可以从大气中吸收CO 2并将其固定在糖中，以供植物和其他光合生物利用。这是通过这种方式将碳输入生活的主要驱动酶。”加州大学戴维斯分校生物科学学院植物生物学助理教授Patrick Shih是实验室的博士后学者。

I型rubisco发生在24亿年前的大氧事件之前，当时蓝细菌通过光合作用产生氧气，从而改变了地球的大气层。鲁比斯科(Rubisco)与这一古老事件的联系使其对研究生命进化的科学家具有重要意义。

在8月31日发表于《自然植物》杂志上的一项研究中，班达和加州大学戴维斯分校，加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员报告发现了一种以前未知的I型Rubisco亲戚，他们怀疑这种亲戚与I型Rubisco分离。蓝细菌的进化。

通过对环境样品进行基因组测序发现了新版本，称为I-prime rubisco形式，并在实验室中进行了合成。形式I-原始卢比斯科为研究人员提供了关于形式I卢比斯科的结构演变的新见解，可能提供有关这种酶如何改变行星的线索。

一个看不见的世界

I型rubisco负责地球上绝大多数的碳固定。但是其他形式的rubisco存在于细菌和称为古细菌的微生物群中。这些rubisco变体具有不同的形状和大小，甚至缺少小的亚基。但是它们仍然起作用。

Shih表示：“了解我的Rubisco如何进化的本质是知道小亚基的进化。” “这是我们知道的唯一的rubisco形式，它使这种大亚基的八聚体组装成为可能。”

研究合著者，加州大学伯克利分校地球与行星科学系的吉尔·班菲尔德教授在对地下水样品进行宏基因组分析后发现了新的Rubisco变体。元基因组学分析使研究人员无需培养微生物即可检查环境中的基因和遗传序列。

班菲尔德说：“我们对周围世界中存在什么样的微生物生活几乎一无所知，因此绝大多数多样性是不可见的。” “我们交给帕特里克实验室的序列实际上来自任何数据库中都没有代表的生物。”

Banda和Shih在实验室使用大肠杆菌成功表达了I-prime rubisco的形式，并研究了其分子结构。

形式I rubisco由八个核心大分子亚基和顶部和底部分别具有八个小亚基构建而成。结构的每个部分对于光合作用和碳固定都很重要。像I型rubisco一样，I型底漆Rubisco由八个大的亚基组成。但是，它不具有以前认为必不可少的小亚基。

班达说：“发现没有小亚基而形成的八聚体红胶，使我们可以提出进化问题，即如果没有小亚基赋予的功能，生活将是什么样子。” “特别是，我们发现，在没有小亚基的情况下，形式I-prime酶必须进化强化的相互作用，这使得在地球大气快速变化的时期结构稳定。”

根据研究人员的说法，形式I-prime rubisco代表了进化史上的缺失环节。由于形式I rubisco将无机碳转化为植物生物质，因此对其结构和功能的进一步研究可能会导致农业生产的创新。

Shih说：“尽管人们对开发一种更好的Rubisco感兴趣，但几十年来的研究却很少成功。” “因此，了解这种酶数十亿年的进化方式可能为将来的工程工作提供重要的见识，从而最终可以提高农作物的光合作用生产力。”

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