为提高光合作用效率打基础，我国科学家首次解析叶绿体中关键构造

叶绿体中的光合作用将光能转化为化学能，为地球生命提供了能量和氧气，是地球环境的重要塑造者。如果能解析叶绿体基因转录机器的构造，就能在调控植物光合作用中发挥关键角色。我国科学家近日有了新发现。

北京时间3月1日，国际顶级学术期刊Cell（《细胞》）在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余研究团队和华中农业大学周菲研究团队合作完成的封面文章，题为“Cryo-EM structures of the plant plastid-encoded RNA polymerase（植物叶绿体编码的RNA聚合酶冷冻电镜结构）”，该研究解析了叶绿体基因转录蛋白质机器的冷冻电镜结构，揭示了叶绿体基因转录蛋白质机器的“装配部件”“装配模式”和“功能模块”。

8年坚持出成果

15亿年前，原核蓝细菌被真核细胞所吞并，最终演化为如今的植物叶绿体。在此过程中，蓝细菌基因组基因不断被转移至细胞核，最终形成了“小而精”的叶绿体基因组，但是转录叶绿体基因组的机器却一点都不简单。

它在原核蓝细菌基因转录蛋白质机器的基础上，装配了多个独特的功能模块，进而其“身形”变为原来的2.5倍，其“装配部件”数量变为原来的3倍。然而这些模块在原核蓝细菌中却基本没有任何“原型”，大多数“借”于真核细胞。

“可以说这个课题是这个领域公认的世界难题，张余从一回国就选择了最有挑战的领域来攻克。”中国科学院分子植物科学卓越创新中心副主任王佳伟研究员说道。

2015年回国后，张余在2016年年初就申请做这个课题，至今已经坚持8年。

谈到该研究的意义，张余对第一财经记者解释道，在基础研究层面，本研究为进一步探索叶绿体基因转录机器的工作模式、理解叶绿体的基因表达调控方式、以及改造叶绿体基因表达调控网络打下了基础。

而从应用层面上来讲，因为叶绿体主要的功能是执行光合作用，我们可以为改造叶绿体基因表达的网络提供一个很好的出发点，来提高植物的光合作用效率。提高植物的光合作用效率，就能够提高碳汇植物固定二氧化碳的能力，增加植物的碳汇。除此之外，在合成生物学应用层面，本研究为植物叶绿体生物反应器的效率提升提供了着手点，助力重组疫苗、重组蛋白药物、和天然产物的生产。

王佳伟对记者补充解释，光合作用在叶绿体里其实是一个水深火热的状态，因为需要通过一个高能态的方式释放氧气。而有了这次的突破发现之后，就可以更好地设计叶绿体基因转录机器，让它的稳健性更强。“我们知道原理之后，就可以让它工作得更好，提高光系统基因的表达水平，呈现更高效的光合作用。”

而对于如何助力碳汇，王佳伟说，实现碳汇分为好几步，第一步是通过光合作用把空气中的二氧化碳给固定下来，固定得越多，未来碳汇的能力就越强。第二步是把碳储存起来。“我们现在想了很多办法，比如把它储存在根系当中，长期埋在地下。还有一种就是希望能把这些碳利用起来，将它转化成有用的材料，或者转化为可利用能源，所以张老师他们做的研究其实是解决了一个源头的问题。”

长期稳定培养机制

据科研团队介绍，中国科学院分子植物科学卓越创新中心副研究员武霄仙和河南大学联合培养硕士研究生穆文慧为该论文的共同第一作者，张余研究员和华中农业大学周菲副教授为共同通讯作者。该工作还得到了中国科学院分子植物科学卓越创新中心Chanhong Kim研究员的帮助。

张余告诉记者，中心给青年人才的成长提供了比较宽敞的道路，第一作者武霄仙就是一个很典型的例子。“她在中心博士毕业后，直接留下来做博后，就拿到了中国科学院的特别研究助理计划，这个计划能够 cover她部分的工资和科研经费。博士后出站后，我们中心对青年人才的晋升也是有一个通道，如果出站的学生能力到了，就可以直接申请副研究员的职称，武霄仙也是在去年成功地评上了副研究员。”

张余研究员与文章第一作者武霄仙（左）、穆文慧（右）合影，受访者供图

据介绍，该项目还受到科技部重点研究计划、中国科学院先导科技专项（B类）项目和上海市基础研究特区计划的资助。“我们是第二批入选基础研究特区计划的，在这个计划的支持下能够心无旁骛地做长期稳定研究。”张余说。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心主任韩斌院士对第一财经介绍，正因为所里做的都是基础前沿研究，所以也有相应的评价机制，允许科研人员做长线的研究工作，并保证他们这段时间的稳定支持。

韩斌说，所里做的这些国际一流的突破性工作是有风险的，有了这些支持和评价机制，引进这批年轻人来所工作就有信心。“我们不是靠短期内发一两篇文章，就去评价你研究工作的影响力，而是有一个国际评估机制，此外中国科学院也对科研人员有一些稳定支持。”