近日，Plant Biotechnology Journal杂志在线发表了由中国农业科学院作物科学研究所周文彬课题组撰写的“Genetic engineering of RuBisCO by multiplex CRISPR editing small subunits in rice”论文。该研究通过CRISPR-Cas9基因编辑技术对光合作用关键酶1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（RuBisCO）的小亚基编码基因OsrbcS进行多基因和多位点编辑，创制了一系列突变体材料，并解析了RuBisCO小亚基特定位点调控水稻光合效率及产量形成的生理与分子机制。提高光合效率以增加作物产量，是解决世界人口不断增长所面临粮食需求的可行手段之一。RuBisCO作为光合碳固定过程中的关键酶，催化RuBP与CO2的羧化反应，将无机碳固定为有机碳。RuBisCO是碳同化的限速酶，然而，由于RuBisCO催化速率低和底物特异性差，也被称为“低效率酶”。因此，提高RuBisCO的催化活性是提高植物光合作用效率的重要靶标。近年来，已有大量研究致力于通过RuBisCO遗传改造，以提高光合作用效率并增加作物产量。RuBisCO是由8个大亚基（RbcL）和8个小亚基（RbcS）经过复杂的折叠组装过程形成的十六亚基复合体。大量研究表明，尽管RuBisCO的活性位点主要位于大亚基上，但RuBisCO小亚基在其组装及稳定全酶结构方面起着重要作用，是RuBisCO实现催化活性所必需的。水稻作为重要的主粮作物之一，目前对其RuBisCO小亚基的功能研究很少，尚不清楚RuBisCO小亚基对水稻光合生理和生长发育的影响。该研究团队利用水稻ZH11作为背景材料，通过CRISPR-Cas9技术对OsrbcS进行多基因和多位点的编辑，获得一系列稳定遗传的突变材料，其中包括单突、双突、三突和四突突变体（图1A）。通过对不同编辑类型的rbcs突变体进行大田表型和生理特性分析，发现在田间条件下，OsrbcS突变导致水稻生长发育迟缓、抽穗延迟和产量下降，并且RuBisCO的含量、活性及光合作用效率均显著降低，叶片中碳水化合物含量减少（图1B-D）。此外，部分突变体植株的分蘖数显著减少，研究表明，rbcs2,3,5三突变体水稻茎基部的糖含量降低，调控水稻分蘖的关键蛋白D53丰度减少，同时细胞分裂素相关途径基因OsCKX3、OsCKX9和OsCKX11显著上调，可能造成细胞分裂素含量降低从而减少分蘖。进一步利用冷冻电镜对rbcs2,3,5三突变体的RuBisCO全酶结构进行解析，发现该突变体与野生型RuBisCO结构没有显著差异，表明OsrbcS的突变并未影响RuBisCO蛋白的组装以及结构（图2）。该研究为未来作物RuBisCO遗传改造、从而提高作物光合作用效率及产量提供了参考和可行思路。中国农业科学院作物科学研究所已毕业博士生周昱婕为该论文的第一作者，周文彬研究员为该论文的通讯作者。中国科学院生物物理研究所的李梅研究员、上海师范大学的张辉教授参与了该研究，中国农科院作科所钱前研究员为该研究提供了指导。该研究得到了“科技创新2030”-农业生物育种重大项目、国家自然科学基金、中国农科院创新工程等项目的资助。论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14535
图1 rbcs水稻突变体的田间表型、产量、RuBisCO含量和酶活
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图2 RuBisCO-E85K的结构
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