RNA聚合酶是細(xì)胞里的“CPU”，它們能“讀取”細(xì)胞的“硬盤(pán)”DNA，隨后輸出各種生命操作。在復(fù)雜的生物細(xì)胞里，一共有9種類型“CPU”(細(xì)菌細(xì)胞CPU、古菌細(xì)胞CPU、真核生物細(xì)胞核的5類CPU、葉綠體CPU、線粒體CPU)，其他類型“CPU”的構(gòu)造相繼被破解，只剩葉綠體“CPU”之謎未解。中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心張余研究團(tuán)隊(duì)和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)周菲研究團(tuán)隊(duì)合作，將最后一塊、也是最難的拼圖補(bǔ)上。

　　上?？茖W(xué)家領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)解析了葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器的“裝配部件”“裝配模式”和“功能模塊”。這一成果于北京時(shí)間今天(1日)凌晨登上了國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》(Cell)的封面。

　　眾所周知，光合作用是地球上最偉大的反應(yīng)之一。葉綠體則是植物光合作用的場(chǎng)所，也是植物特有的細(xì)胞器。葉綠體的光合作用將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，為地球上生命提供了能量和氧氣。

　　張余研究員介紹，大約15億年前，原始的真核細(xì)胞吞噬了藍(lán)細(xì)菌，進(jìn)化出真核單細(xì)胞藻，隨后再進(jìn)化出高等植物。在進(jìn)化過(guò)程中，大部分藍(lán)細(xì)菌的基因丟失或者轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核，形成了小而精的葉綠體基因組。

　　“葉綠體基因組保留了基因轉(zhuǎn)錄、蛋白翻譯和光合系統(tǒng)相關(guān)蛋白編碼基因?！睆堄喔嬖V記者，“不過(guò)，葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器的構(gòu)造依然未知?！卑四昵皬堄嗌暾?qǐng)加入分子植物卓越中心時(shí)，就將破解“光合能量的轉(zhuǎn)換與調(diào)控機(jī)制”這道難題設(shè)為目標(biāo)。

　　研究團(tuán)隊(duì)注意到，轉(zhuǎn)錄葉綠體基因組的機(jī)器一點(diǎn)兒都不簡(jiǎn)單——其“身形”變?yōu)樵瓉?lái)的2.5倍，其“裝配部件”數(shù)量變?yōu)樵瓉?lái)的3倍。這回，科學(xué)家們選擇的模式植物可謂既熟悉又陌生：煙草。張余解釋，這種俗稱“大煙草”的模式植物個(gè)頭大，生物量大，葉綠體基因編輯的遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)更為成熟。

　　記者獲悉，研究團(tuán)隊(duì)首先利用葉綠體轉(zhuǎn)化技術(shù)構(gòu)建了葉綠體轉(zhuǎn)基因煙草，隨后通過(guò)親和純化的方式獲得完整的葉綠體基因轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)復(fù)合物，最終利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)成功解析了葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器構(gòu)造。

　　“生命太奇妙了!如果讓人去設(shè)計(jì)，一定設(shè)計(jì)不出來(lái)?！睆堄噘潎@。與原核藍(lán)細(xì)菌基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器相比，葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器一共具有20個(gè)“裝配部件”(蛋白亞基)，組成了5個(gè)功能模塊——催化模塊、支架模塊、保護(hù)模塊、RNA模塊和調(diào)控模塊。

　　“催化模塊由葉綠體基因組編碼，其蛋白亞基起源于藍(lán)細(xì)菌；其他模塊由細(xì)胞核基因組編碼，其大部分蛋白亞基起源于真核細(xì)胞，在細(xì)胞質(zhì)翻譯后運(yùn)輸至葉綠體完成組裝?！睆堄嘟榻B，這些原核和真核起源的蛋白亞基組成了目前已知最復(fù)雜的基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器。

　　他繼續(xù)娓娓道來(lái)，藍(lán)細(xì)菌來(lái)源的催化模塊包含6個(gè)蛋白亞基，其位于復(fù)合物的核心層；支架模塊包含7個(gè)蛋白亞基，它們一方面穩(wěn)定催化模塊，另一方面提供其他模塊的結(jié)合位點(diǎn)；RNA模塊包括1個(gè)亞基，能夠序列特異性結(jié)合RNA，推測(cè)可能參與轉(zhuǎn)錄關(guān)聯(lián)的RNA加工過(guò)程；調(diào)控模塊包括4個(gè)亞基，推測(cè)它們參與基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器的活性調(diào)控。保護(hù)模塊包括2個(gè)亞基，它們具有超氧化物歧化酶的功能，使其免受葉綠體中超氧化物的氧化攻擊。

　　“超氧化物歧化酶的英文縮寫(xiě)是SOD，相信大家以前都聽(tīng)到過(guò)相關(guān)的廣告詞。SOD酶能夠?qū)⒒钚猿蹶庪x子通過(guò)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為沒(méi)有太多活性的過(guò)氧化氫?！睆堄嘌a(bǔ)充道，“這幾天是陰天，可在夏季正午時(shí)候，日光強(qiáng)烈，此時(shí)葉綠體光合作用會(huì)產(chǎn)生較多超氧陰離子。有時(shí)會(huì)影響葉綠體基質(zhì)，損傷生物大分子。而SOD酶能清除葉綠體基質(zhì)里的超氧陰離子，幫助適應(yīng)環(huán)境?！?/p>

　　研究團(tuán)隊(duì)表示，這項(xiàng)成果在基礎(chǔ)研究層面，為進(jìn)一步探索葉綠體基因轉(zhuǎn)錄的工作模式，理解葉綠體的基因表達(dá)調(diào)控方式打下了基礎(chǔ)；而在應(yīng)用層面，研究為改造葉綠體基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，增加光合作用復(fù)合物的基因表達(dá)，提高光合作用效率打下了基礎(chǔ)。

　　“提高光合作用復(fù)合物基因表達(dá)，可以增加作物的生物量，提高作物產(chǎn)量?！睆堄嘟忉?，此外，提高植物的光合作用，理論上可以提高植物固定二氧化碳的能力，增加植物碳匯。

　　分子植物卓越中心主任、中國(guó)科學(xué)院院士韓斌表示，光合作用的研究曾獲得諾貝爾獎(jiǎng)的青睞，解析葉綠體機(jī)制和功能是中心的重要突破方向，“最難啃的骨頭也最有意義”。期待未來(lái)輔以冷凍電鏡的“利劍”，助力科研人員沖刺科學(xué)制高點(diǎn)。