绿藻可能是设计快速生长作物的关键-植物百科全书

绿藻如何快速生长？两个新的合作提供了洞察这些生物如何从空气中吸收二氧化碳用于光合作用，这是它们快速接管游泳池或池塘的关键因素。了解这一过程可能有一天会帮助研究人员提高小麦和水稻等农作物的生长速度。

在本周发表在Cell杂志上的两项研究中，由卡内基和马克斯普朗克生物化学研究所的合作者组成的普林斯顿领导的研究小组报告了第一个细胞库的详细清单，称为pyrenoid，藻类用于收集和浓缩二氧化碳，使光合作用过程比大多数其他藻类和植物更有效。

研究人员还发现长期以来被认为是固体结构的pyrenoid实际上就像液滴一样，当藻类细胞分裂时，它可以溶解到周围的细胞介质中。

普林斯顿分子生物学助理教授兼前卡内基工作人员Martin Jonikas说：“了解藻类如何浓缩二氧化碳是实现其他植物光合作用改善目标的关键一步。” “如果我们能够设计其他作物来集中碳，我们就能满足世界对粮食日益增长的需求。”

水生藻类和少数其他植物已经开发出碳浓缩机制，提高光合作用的速度，植物将二氧化碳和阳光转化为糖类进行生长。所有植物都使用一种名为Rubisco的酶将二氧化碳“固定”成糖，可以由植物使用或储存。

藻类比许多陆地植物具有优势，因为它们将Rubisco酶聚集在pyrenoid内，其中酶遇到从空气中泵入的高浓度二氧化碳。周围有更多的二氧化碳可以让Rubisco酶更快地发挥作用。

在本周报道的两项研究中的第一项研究中，研究人员对一种称为莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）的藻类物种的碳浓缩机制的蛋白质进行了全面的研究。研究人员开发了快速标记和评估藻类蛋白质的方法，用于鉴定藻类蛋白质的位置和功能，详细说明蛋白质之间的物理相互作用，从而形成一种类似于“相互作用组”的物质。

该研究揭示了89种新的pyrenoid蛋白质，包括研究人员认为将碳引入pyrenoid的蛋白质和其他形成pyrenoid所需的蛋白质。他们还发现了三个以前未知的pyrenoid层围绕着细胞器，就像洋葱层一样。

“这些信息代表了对这种必不可少的碳浓缩机械如何组织的最佳评估，并提出了探索其工作原理的新途径，”该研究的第一作者，前Carnegie McClintock博士后研究员Luke Mackinder说道，他现在领导着一个团队。约克大学的研究人员。

在第二项研究中，研究人员发现长期以来被认为是固体结构的pyrenoid实际上是液体状的。先前研究中使用的技术要求研究人员在成像前对藻类进行杀灭和化学保护。在这项新研究中，研究人员使用黄色荧光蛋白标记Rubisco并将其成像在生物体内。  

在观察藻类的时候，伊丽莎白弗里曼罗森茨威格，当时是斯坦福大学研究生，在卡内基的Jonikas小组工作，而Mackinder使用高功率激光在一半的pyrenoid上破坏Rubisco上的荧光标签，同时将标签留在另一个一半的pyrenoid完好无损。几分钟之内，荧光重新分布到整个pyrenoid，表明酶很容易像在液体中那样移动。

马克斯普朗克生物化学研究所的博士后研究员和项目负责人Benjamin Engel利用另一种称为低温电子断层扫描的成像技术进一步探索了这一发现。他冻结并制备了整个藻类细胞，然后用电子显微镜对其进行成像，这种显微镜非常敏感，可以分辨出单个分子的结构。

该技术使Engel能够以三维和纳米分辨率显示pyrenoid。通过将这些图像与液体系统的图像进行比较，研究人员证实，pyrenoid是由液体组成的。

“这是一个罕见的例子，其中经典遗传学，细胞生物学和高分辨率成像方法都在一次调查中汇集在一起，”恩格尔说。

该研究使该团队能够询问当单细胞藻类分成两个子细胞时，pyrenoid如何传递给下一代。Freeman Rosenzweig指出，pyrenoid有时不能分裂，留下一个没有pyrenoid的子细胞。

使用荧光蛋白，研究小组观察到，未能接受一半pyrenoid的细胞实际上仍可自发形成一个。他们发现每个子细胞都会以溶解的形式接收到一定量的pyrenoid，并且这些几乎检测不到的成分会凝结成一个完整的pyrenoid。

“我们认为细胞分裂前的pyrenoid溶解和分裂后的凝结可能是一种多余的机制，以确保两个子细胞都能得到pyrenoids，”Jonikas说。“那样，两个子细胞都将拥有这个对吸收碳有重要意义的关键细胞器。”

为了进一步探讨这种情况如何发生，Jonikas与普林斯顿大学的Ned Wingreen合作。他和他的团队创建了一个计算机模拟Rubisco和另一种名为EPYC1的蛋白质之间的相互作用 - 被发现对于Mackinder和其他人在Jonikas团队中对pyrenoid至关重要 - 它像胶水一样将多个Rubiscos粘在一起。

计算机模拟表明，pyrenoid的状态 - 无论是浓缩的液滴还是溶解到周围的隔室 - 都取决于EPYC1上结合位点的数量。在模拟中，Rubisco有八个绑定站点，或八个EPYC1可以连接到Rubisco的地方。如果EPYC1有四个结合位点，则两个EPYC1正好填充一个Rubisco上的所有停靠站点，反之亦然。因为这些完全键合的Rubisco-EPYC1配合物很小，它们形成溶解状态。但是，如果EPYC1有三个或五个结合位点，它不能填满所有Rubisco网站，并且Rubiscos上有开放网站用于通过额外的EPYC1进行绑定，这些EPYC1也有可以吸引其他Rubiscos的免费网站。结果是一团Rubiscos和EPYC1s形成液体状的液滴。

根据EPYC1与Rubisco结合位点的比例，系统相位的变化可以被认为是“神奇数字”效应，在物理学中通常用于描述特定数量的颗粒形成异常稳定状态的条件。“这些神奇的数字除了与pyrenoid系统有关外，还可能在聚合物物理领域和合成生物学领域有一些货币，”Wingreen说。

Wingreen和Jonikas正在继续他们的合作，并希望通过探索Rubisco和EPYC1的不同灵活性和配置在理论上开发该项目，并通过在试管中结合两种蛋白质并操纵结合位点的数量进行实验。

“以前的想法是，他们拥有的结合点越多，蛋白质越容易聚集，”Jonikas说。“发现有神奇的数字效应不仅对于pyrenoids很重要，而且可能对于在整个自然界中发现的许多其他类似液体的细胞器也很重要。”

卡内基植物生物学的临时主任苏瑞莱说：“很高兴看到马丁在卡内基发起的工作正在结出硕果，这不仅会对植物生物学和农业产生巨大影响，还会对生物工程和合成生物学产生巨大影响。”

通过进一步的研究，这些发现可能会为确保快速增长的作物提供给不断扩大的世界人口提供重要的见解。

图片说明：普林斯顿大学主导的一项研究详细介绍了藻类生长机制的一个重要部分，最终目标是利用这些知识改善粮食作物的生长。研究人员使用一种称为低温电子断层扫描的技术对称为pyrenoid的藻类结构进行成像，该结构浓缩了二氧化碳，使其更容易用于光合作用，从而增长。这个放大的pyrenoid内部图像显示了大量的碳固定酶，称为Rubiscos（蓝色球状结构）。绿色管内的黄色小管被认为将二氧化碳和其他物质带入pyrenoid。图片由Max Planck生物化学研究所的Benjamin Engel提供。