科学家解密耐高温小麦:“这可以在气候变化时保护粮食供应”

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在植物中，Rubisco激活酶(Rca)告诉产生能量的Rubisco在阳光灿烂的时候启动，在树叶失去阳光的时候停止，以保存能量。

兰开斯特大学的一组研究人员发现，将构成小麦Rca的380个分子结构块中的一个进行交换，可以使其在更热的温度下更快地激活Rubisco。研究人员认为，这意味着有机会帮助保护农作物免受气温上升的影响。

“我们采用了一种小麦Rca(2β)已经很擅长激活二磷酸核酮糖羧化酶在较低的温度和换出的氨基酸与一个在另一个小麦Rca(1β)发现在更高的温度,但垃圾作品很好激活二磷酸核酮糖羧化酶,结果是一种新的2βRca两全其美,”博士解释说Elizabete Carmo-Silva,兰开斯特环境中心高级讲师负责这项工作。

天然小麦Rca 1β异亮氨酸氨基酸,高达39摄氏度的温度下工作,但并不擅长激活二磷酸核酮糖羧化酶。而天然2β氨基酸蛋氨酸,约摄氏30度,善于激活二磷酸核酮糖羧化酶。的团队创造了一个新的版本2β的异亮氨酸氨基酸35摄氏度的温度下工作,非常善于激活二磷酸核酮糖羧化酶。

“从本质上讲,1β是一个垃圾酶和2β对高温敏感,“Carmo-Silva博士说。“最酷的是，我们已经证明了一种氨基酸交换可以使Rca在更高的温度下活跃，而不会真正影响它激活Rubisco的效率，Rubisco可以帮助作物在温度压力下启动光合作用，从而获得更高的产量。”

建立更可持续的食品体系

卡莫-席尔瓦博士说，这项工作可以在两个方面促进更可持续的粮食系统的发展。

首先，它将促进小麦品种的发展，更有弹性面对气候变化。

“全球变暖已经对包括小麦在内的许多农作物的产量产生了影响。提高Rubisco激活酶(Rubisco)在阳光照射下启动能量生产酶(Rubisco)的效率，将使这些作物对我们所观察到的季节性温度波动更有弹性，从而确保作物产量更稳定。这对农民来说意义重大，因为他们相信每年的收成都会很好。反过来，在气候变化时保护粮食供应，也有利于粮食系统的可持续性，”她告诉FoodNavigator。

其次，卡莫-西尔维亚博士认为，这一发现将使我们用更少的土地资源生产更多的粮食，并提高碳同化水平，以满足不断增长的全球人口的需求。

“目前的证据，从实验工作结合模型，表明使Rubisco激活酶更有效地打开Rubisco的碳同化，当阳光灿烂时，将导致每天增加约20%的碳同化，即使在没有植物胁迫的情况下。”在非生物胁迫下，如温度波动、碳同化和植物生产力都受到了负面影响，这意味着更有效和更有气候适应性的碳同化带来的好处会更大。最重要的是，我们预测这些碳吸收和植物生产力的收获不应该需要任何额外的土地、水或肥料，从而使农业更具可持续性和对气候变化的适应能力。这意味着要有更多的食物来养活不断增长的人口，同时尽量减少我们对地球的影响。”
 

这是否意味着小麦将成为转基因作物

这项工作是在大肠杆菌的体外进行的。这意味着所有的工作都是“在试管中”完成的。

“我们首先需要了解Rubisco活化酶如何对温度做出反应，以及如何在温度升高时更有效地活化碳同化。”为了做到这一点，我们使用定点诱变技术改变Rubisco激活酶中的1个氨基酸，它有380个氨基酸长，”卡莫-西尔维亚博士详细解释道。

下一阶段将需要将这种变化引入小麦作物。“我们可以使用转基因技术或CRISPR(基因编辑)技术，”De Carmo-Silvia解释说。

然而，她继续说，科学家们正在探索转基因和非转基因的选择。

“我们正在探索一种可能性，即在自然界中可能已经存在一种带有这种氨基酸变化的Rubisco活化酶。”为了做到这一点，我们正在研究与小麦有关的植物，包括祖传的小麦。如果我们能找到这样一种Rubisco活化酶，它能使氨基酸发生变化，在更温暖的温度下效率更高，那么我们就能以一种更传统的方式(非转基因)在农作物育种计划中推进这一进程，在现代小麦和祖先小麦之间进行杂交。”
 

扩展到其他作物

这一发现也有可能使其他作物品种更具弹性和效率。

这项研究是“提高光合效率”项目的一部分。成熟是指通过提高光合作用来提高作物产量，光合作用是所有植物将阳光转化为能量和产量的自然过程。法案支持这项工作。梅琳达·盖茨基金会、美国粮食和农业研究基金会(FFAR)和英国政府国际发展部(DFID)。

这项研究的发现将支持成熟的努力，以表征和改善其他粮食作物，如豇豆和大豆的Rca，每一种都有多种不同形式的Rca。

“我们刚刚发表的研究重点是小麦的Rubisco活化酶，我们已经对这种植物的酶如何运作有了很好的理解。我们现在正在研究其他作物，包括豇豆，或黑眼豆，这是撒哈拉以南非洲的一种重要作物，以及大豆。

“小麦的研究结果为我们对其他作物的研究提供了信息，初步结果表明，通过提高Rubisco活化酶在阳光下启动碳同化的效率，这些作物的产量也有类似的提高空间。”

卡莫-席尔瓦博士说:“看看非洲的豇豆种植区，从平均气温在22摄氏度左右的南非一直延伸到平均气温在30摄氏度左右的尼日利亚，再往北延伸到38摄氏度。”“如果我们能帮助Rubisco在这些温度下更有效地激活，这将是非常有力的，可以帮助我们缩小产量潜力和现实之间的差距，帮助那些依赖这些作物维持生计的农民。”