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康奈尔大学农业与生命科学学院综合植物科学系植物生物学组助理教授劳拉-冈恩（Laura Gunn）和她的同事们在提高植物生产力和促进碳固存方面取得了重大突破。他们利用细菌作为中介，成功地将高效红藻的关键部分整合到烟草植物中。这项研究是提高农业效率的重要一步，最近登上了《自然-植物》的封面。

研究人员通过在烟草植物中加入藻类元素，显著提高了植物的光合作用和生长能力，从而提高了植物的生产力和固碳能力。

这项研究以 Rubisco 为中心，Rubisco 是地球上每个生态系统中最丰富的蛋白质。Rubisco 通过固定碳来完成光合作用的第一步，它以各种形式出现在各种生物体内，包括植物、红藻、绿藻和细菌。Rubisco 的速度很慢，而且很难区分氧气和二氧化碳，Gunn 和其他几位 Cornellians 正在研究这个问题。因此，Rubisco 经常限制植物生长和作物产量。

一种红藻 Griffithsia monilis（Gm）含有 Rubisco，它的固碳效率比其他生物（包括陆地作物）的 Rubisco 高 30%。至少 20 年来，科学家们一直有兴趣将高效的 GmRubisco 移植到水稻、小麦、大豆和烟草等植物中，以提高它们的产量。这是因为Rubisco需要多种"伴侣"，它们对蛋白质的折叠、组装和活性至关重要--烟草植物中有7种这样的助手--而红藻中的大多数伴侣都是未知的。

在他们的研究中，Gunn 和她的合著者得以解决 GmRubisco 的三维结构问题，并利用这一信息成功地将水螅根杆菌（Rhodobacter sphaeroides，RsRubisco）的少量区域嫁接到细菌的 Rubisco 中。

"RsRubisco的效率并不高，但它与GmRubisco的关系非常密切--它们就像是表亲--这意味着，与陆地植物的Rubisco不同，它可以接受嫁接的序列，"Gunn说。"RsRubisco在陆地植物中折叠和组装时也不需要任何特殊的伴侣物。"

这种变化使羧化率（Rubisco 启动碳固定过程的速度）提高了 60%，羧化效率提高了 22%，RsRubisco 区分二氧化碳和氧气的能力提高了 7%。随后，作者将他们的细菌突变体移植到烟草中，与未改变 RsRubisco 的烟草相比，烟草的光合作用和植物生长都翻了一番。Gunn说，烟草是最容易操纵Rubisco的陆生植物，因此可以作为开发更高效的Rubisco的试验案例，这种Rubisco可以转移到更多与农艺相关的物种上。

Gunn说："我们还没有达到超越野生型烟草的程度，但我们已经步入正轨。我们只需要对 Rubisco 性能进行适度的改进，因为即使在整个生长季中进行很小的改进，也能使植物的生长和产量发生巨大的变化，而且潜在的应用领域涉及多个领域：更高的农业产量；更高效、更经济的生物燃料生产；碳封存方法；以及人造能源的可能性。"