謝菲爾德大學(xué)的科學(xué)家們聲稱(chēng)，他們已經(jīng)“解決了光合作用的一個(gè)關(guān)鍵組成部分的結(jié)構(gòu)”，這一進(jìn)展將有助于提高農(nóng)作物產(chǎn)量，滿(mǎn)足世界“緊迫的糧食安全需求”。

謝菲爾德大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的這項(xiàng)研究今天發(fā)表在《自然》雜志上，揭示了細(xì)胞色素b6f的結(jié)構(gòu)——這種蛋白質(zhì)復(fù)合物通過(guò)光合作用顯著影響植物的生長(zhǎng)。

利用高分辨率的結(jié)構(gòu)模型，研究小組發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)復(fù)合體提供了兩種光動(dòng)力葉綠素蛋白(光系統(tǒng)I和II)之間的電連接，這兩種蛋白是在植物細(xì)胞葉綠體中發(fā)現(xiàn)的，它們將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。

“我們的研究為細(xì)胞色素b6f如何利用通過(guò)它的電流來(lái)為‘質(zhì)子電池’供電提供了重要的新見(jiàn)解。”這些儲(chǔ)存的能量可以用來(lái)制造ATP，即活細(xì)胞的能量貨幣。這項(xiàng)研究的第一作者、謝菲爾德大學(xué)分子生物學(xué)和生物技術(shù)系的博士生洛娜·馬隆說(shuō):“最終，這個(gè)反應(yīng)提供了植物所需的能量，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為維持全球食物鏈的碳水化合物和生物質(zhì)。”

利用單粒子冷凍電子顯微鏡確定的高分辨率結(jié)構(gòu)模型揭示了細(xì)胞色素b6f作為傳感器的額外作用的新細(xì)節(jié)，該傳感器可根據(jù)不斷變化的環(huán)境條件調(diào)整光合效率。這種反應(yīng)機(jī)制保護(hù)植物在干旱或過(guò)度光照等惡劣條件下不受損害。

“更大更好”的植物光合作用的“跳動(dòng)心臟”

該研究的負(fù)責(zé)人之一、謝菲爾德大學(xué)生物化學(xué)講師馬特·約翰遜博士解釋說(shuō):“細(xì)胞色素b6f是光合作用的心臟，它在調(diào)節(jié)光合效率方面起著至關(guān)重要的作用。 

“以前的研究表明，通過(guò)控制這種復(fù)合物的水平，我們可以種植更大更好的植物。有了從我們的結(jié)構(gòu)中獲得的新見(jiàn)解，我們可以希望合理地重新設(shè)計(jì)作物的光合作用，以實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)量，我們迫切需要維持到2050年全球90億到100億人口的預(yù)測(cè)。”

約翰遜博士強(qiáng)調(diào)，為了生產(chǎn)足夠的糧食來(lái)滿(mǎn)足這么多人的需求，食品行業(yè)必須尋求包括基因工程在內(nèi)的方法來(lái)提高糧食生產(chǎn)的效率。“人口增長(zhǎng)所需的糧食產(chǎn)量急劇增加意味著我們不能坐等進(jìn)化為我們提供更有效的光合作用。這就是為什么像基因工程這樣的方法對(duì)改善農(nóng)作物如此重要。”

這項(xiàng)研究是與利茲大學(xué)阿斯特伯里結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)中心合作進(jìn)行的。

研究人員現(xiàn)在的目標(biāo)是確定細(xì)胞色素b6f是如何被無(wú)數(shù)的調(diào)節(jié)蛋白控制的，以及這些調(diào)節(jié)蛋白如何影響這種復(fù)合物的功能。

源
菠菜細(xì)胞色素b6f復(fù)合物的超微結(jié)構(gòu)
自然
DOI: 10.1038 / s41586 - 019 - 1746 - 6
作者:Lorna A. Malone, Pu Qian, Guy E. Mayneord, Andrew Hitchcock, David A. Farmer, Rebecca F. Thompson, David J. K. Swainsbury, Neil A. Ranson, C. Neil Hunter, Matthew P. Johnson

其他資料由謝菲爾德大學(xué)提供