遗传工程学家拟加速作物的光合作用

发布时间：00年04月28日

Charles C. Mann 编译李大卫何方淑

　　研究者们希望用改变主要的酶，或者使CO₂加压的方法，增进作物把大气中的碳转化为食物的能力。

　　少数非生物学的学者，可能听说过1.5 - 二磷酸核酮糖羧酶加氧酶，简称RuBisCO，其功能是催化光合作用，其基本意义就是用它来获取生物生命中所必需的碳源。由于它和大气中CO2的相互作用，RuBisCO——世界上最大量的蛋白质——开启了产生碳水化合物、蛋白质和脂肪的生物化学链，使之供养植物和其它的生物，包括我们人类。但是，对于RuBisC0的重要性，却很难加以夸赞。因为，它还有其它的秉性，坎培拉澳大利亚国立大学的植物生理学家T · 约翰 · 安德鲁斯(T. John Andrews)说：“ RuBisCO几乎是世界上最差劲、最无能的酶——在重要的新陈代谢过程中，它是效率最低的酶。”

　　自70年代RuBisCO的低效性对科学家们的刺激变得十分明显之后，马里兰大学的生物化学家乔治 · 洛里默(George Lrimer)说，实际上，寻求更好的RuBisCO，就是在寻求“植物生物学中的圣杯。”1984年，他和瑞典的研究组一起研究、筹划搞清楚酶结构的工作。”每个人都希望参加改变农业面貌的工作。”但是，尽管经过20多年的努力，希望并没有实现。然而，由于现代分子生物学的进展，却意外地发现了红藻中具有一种效率更高的RuBisCO——对长期奋斗于改变酶的研究工作以新的推动力。这可能成为从来没有进行过试验的、最具有雄心的遗传工程研究项目。

　　没有人期望很快就会有结果——安德鲁斯说：“我不会为了第二次试验而缩减任务。”遗传工程技术的现状能够改变或者接拼单个基因，来增进植物对害虫的抗性；或者说，能在使用灭除杂草的除莠剂时，让作物继续生存。相比之下，要改变RuBisCO，科学家就必需使用进行光合作用的细胞核和叶绿体许多基因编码过的16 - 分体分子进行研究；而且酶还要依靠其它一套酶的支持体系，如果RuBisCO改变了，其中的一些还需要修补翻新。然而，许多其它有助于增加作物产量的途径看来似乎已被阻断。因此，RuBisCO就成了增产的一个试探性目标。

　　在光合作用中，RuBisCO正好是由光化学和酶反应组成的交响曲的演奏者。首先，光合作用的第一步“光”阶段中，叶绿素——叶绿体中的绿色素——从阳光中吸取充足的能量，去分离水分子中的电子，同时释放出氧气，并给第二步“暗”阶段输送所需要的三磷酸腺苷(ATP)；第二步是从RuBisCO和二氧化碳结合产生3-磷酸甘油酸(PCA) 开始的，并以ATP为动力能量，去推动一系列的反应，把PCA转变成大量的淀粉、糖和其它的有机成分。

　　总的说来，光合作用不是特别有效的。农作物所接收的全部阳光能量，如果能被贮存1%就很少见。

　　因此，这个过程就为生物工程师们提供了许多的研究目标。然而，RuBisCO肯定是该过程中的最大障碍，但也是其中最具有吸引力的。首先，它极端迟钝。伊利诺斯大学退休的RuBisCO专家威廉姆 · 奥格伦(Williamn Ogren)不无夸张地说：“ 它可能是已知的最慢的酶。”一般酶的速率每秒约有25，000次反应，而在高等植物中周转的RuBisCO，每秒仅有2~3次反应。奥格伦说：“它并不是进化中的杰作。”

　　其次，RuBisCO 还会激起一种干扰第一步的附加反应。1971年，奥格伦和另外两位研究者发现了使他们惊奇的现象。RuBisCO 在捕获和“固定”二氧化碳之外，还催化着第二个相反的反应，即所谓的光呼吸作用，酶和氧结合而不是与二氧化碳结合，随后又产生部分改变为二氧化碳的化合物。换句话说，RuBi-sCO一方面催化着植物和碳相结合的反应，而另一方面又从植物中夺走碳。

　　在具有代表性的水稻和小麦等高等植物中，RuBisCO获取的CO₂大约要比O₂多100倍以上。但是，由于大气中O₂的浓度比CO₂又要多若干倍，因此大大地抵消了其对CO₂的亲和性。结果，光合作用所固定的碳有20% ~ 50%在光呼吸作用中失去。安德鲁斯说：“氧化作用的反应——就我们所能言者，过去数10年有关它的大量研究——完全是浪费。对于植物来说，等于什么事都没有做。”

　　澳大利亚国立大学的RuBisCO专家穆拉里 · 巴杰(Murry Badger) 说，300 万年前，光合作用开始演化时，这种惊人的无效性并不是一种不利条件。因为，当时的大气中几乎就没有氧气。而当光合作用使空气中充满氧气之后，RuBisCO 的弱点就暴露出来了。对进化要重新调整这个难题来说，为时已晚。他还说：“那是一种有点更为专化的和有区别的反应变得更为缓慢的一般关系。”结果，使RuBisCO把二氧化碳作为更好目标的突变，可能还会使之变得更为缓慢。

　　如果遗传工程师们能够找到一种绕过RuBisCO的缓慢性与无效性的途径，他们就能够收到双倍的效益。一种更快、更有效的酶能有助于作物的生长和增加生物量，让它们以更快的速率生产更多的谷物。另外，英国赫特福特郡栽培作物研究所的马丁 · 帕里(Martin Parry)解释说，RuBisCO 的不活泼意味着“植物需要惊人而大量地投人，”才能固定足够的碳。“植物所需要的大部分氮出于要求产生酶”，而它又是由植物叶中一半以上可溶性的蛋白质所组成。虽然，更有效的RuBisC0能够降低作物对氮的需要，但目前许多国家仍然主要用肥料加以解决。

更好的RuBisCO

　　光呼吸作用的发现推动了改造RuBisCO的愿望。研究者们开始用高等植物中的酶和蓝细菌——蓝绿藻——中的酶进行比较，发现后者效率比前者更低。为了找出原因，洛里默研究组以杜邦公司为基地，和瑞典的卡尔 · 布兰登(Carl Branden)的X-射线结晶学研究组合作，对二者的分子结构进行测定，希望找到能够说明问题的区别。洛里默说：“我们用了好几年的时间，搞出了菠莱(RuBisCO 研究中的模型植物)和蓝细菌的高分辨率结构。”然而尽管有了最后的详细结果，“严肃的事实是你虽然能够确定这两种酶的令人满意的结构图，然而你还是难于强求发现其间的差别。”洛里默相信，即使人们能够鉴别出其间的差别，而它们是如此复杂和如此精细，“以至于还是不能合理地说明你的方法会如何去改进这种酶。”

　　改变RuBisCO结构的失败，使许多研究者感到沮丧，洛里默研究组也解体了。到了1992年，哥伦布俄亥俄州立大学的F罗伯特 · 塔比塔(F. Robert Tabita)和B · R · 里德(B. R. Read)，发现了在某些硅藻和红藻中，具有比高等植物更为专化的RuBisCO，希望又重新被唤醒了。1992年日本大阪附近keihanna科学城，当今最富有创新精神的技术研究所的研究人员发现红藻中有效率大约高出3倍以上的RuBisCO，塔比塔说：“我们也找到了大量的红藻，情况几乎相同，它们的效率比正常植物中的RuBisCO要高出2~3倍。”但是，至今还无人了解为什么会这样。

　　安德鲁斯研究组是试图发展这种优势的研究组之一。他们企图把红藻叶绿体中的RuBisC0取出后，插入高等植物的叶绿体中。拉特格大学的生化学家帕尔 · 马利加(Pal Maliga)还应用了使叶绿体DNA发育的巧妙技术。

　　安德鲁斯说：“这样做有点像把大型轿车中的V-8引擎调换到一部小型汽车中，它根本就不能工作。”他还告诫说，即使酶能在新的转基因体内起作用，“那也不能只是简单地把RuBisCO安置在那儿，它必须在正确的类型中安装和生产，而且还要和具有RuBisCO保持控制的叶绿体调节体系相连接。”安德鲁斯希望“大约10年”后能看到结果。

使光合作用增压

　　正当大多数的研究者把改变光合作用的遗传基础集中于RuBisCO时，有少数人却在尝试另一种可能更具有雄心的战略。他们设想，如果把植物装备上一部强力供应燃料的增压器，好像加上一部小引擎，就能使光合作用进行得更快些；有些植物已经具有了自己的光合作用增压器，专业名词称为C₄循环。C₄植物中，进行光合作用的维管束细胞被专化的“叶肉”细胞所围绕，它们把暂时固定了的二氧化碳在高浓度的情况下，挤塞在维管束细胞，使得氧化反应有效地受到阻碍。C₄ 循环要求能量很大，以至于C₄植物在弱光下不能生长，而必须处在正常的良好光照条件下，像甘蔗这样的C₄植物比任何其它植物进行光合作用更有效率。所有的陆生高等植物中，约有5%使用C₄循环，经济作物玉米就是其中最重要的一种。

　　名古屋大学的微生物学者真小田松冈领导的日本国立农业生物学资源研究所和名古屋大学的一个联合研究组，正在进行用水稻复制C₄循环的研究。为了使转移成功，他们用大量改变过的酶在一起工作，而且可能改变了植物的结构，产生了相应的叶肉细胞。结果，该项目可能是人类曾经在任何有机体试验中做得最好的最基本的遗传改变。但是，洛里默说：“可别太激动了！”

　　真小田松冈警告说，实际上“我们并不认为能够搞出了真实的C₄ (水稻)植物，”而宁可认为只是把玉米中的全部C₄循环的遗传结构转移到了水稻之中。研究组正在鉴定水稻中C₄型基因的非功能当量，并且选择从玉米中取出的对应物来置换它们。

　　真小田松冈研究组在《自然生物技术》杂志上发表的一篇论文说，他们试验的第一步是用玉米中更为活跃的对应物，替换掉水稻中三种未登录的基因，包括在C₄循环开始时起催化作用的磷酸烯丙酮酸羧化酶(PEPC)。真小田松冈说：“我们使PEPC在水稻植株中高度表达获得成功，这在世界，上还属首次。”他们转移每个基因到不同的水稻植株中之后，目前正在进行杂交，以期获得产生所有三种酶的水稻。

　　真小田松冈说，即使这样，可能还不足以在水稻中复制出类C₄的光合作用。水稻本身具有无光合作用活性的类叶肉细胞，现在有可能被激活。然而，在实际中又有些变化，使之可能变为有害的——例如，仅具有C₄酶NADP苹果酸的转基因水稻，很快地就会趋向死亡。，尽管如此，初期的证据证明，水稻中的活性PEPC能够除掉大约三分之一的破坏性氧化反应。

　　正当研究改变光合作用开始获得进展的时候，却出现了一些这究竟是否有利于农业的质询。至少从1990年以来，研究工作显示出在作物的光合作用效率和产量之间所具有的相关性，并不能证明改进了RuBisCO就能自动地取得较好收成。根据美国埃塞克斯大学的植物生理学者史蒂文 · P · 朗(Steven P. Long)的意见，认为该相关性可能很简单地就隐藏在高产量栽培变种的较大叶片的习性之中，因为它增加了植物自身荫蔽的面积，从而降低了平均的光合作用效率。他和同事们采用了高达小区大气水平约50%的足量CO₂充溢于麦田之中，短期地增加了光合作用效率之后，在连续的两个生长季节中，使谷物产量增加了10~ 20%。

　　朗很怀疑把C₄循环引入像水稻和小麦等作物的价值。因为要把C₄循环的高能量消耗强加于其它植物的新陈代谢之中，只有在高温条件下才能获得报偿——这就是为什么没有冬季玉米作物的原因。朗说：“你能相当容易地完全加以模仿。”“(标准的光合作用)在28℃以下，就能有效地进行，而C₄要在高于28℃以上的条件下才会十分有效。”报偿的阀值将会上升，甚至高于人类活动而增加的大气CO2的浓度。而像安德鲁斯等人对增加RuBisCO专化性的研究，如果获得成功，则增加C₄循环的阀值也将会持续升高或许会达到40℃。朗说：“到了那个时候，就没有研究C₄的必要了。”