Un grupo de investigación formado por el Profesor Asociado FUKAYAMA Hiroshi Universidad de Kobe, Escuela de Graduados en Ciencias Agrícolas y el Profesor MATSUMURA Hiroyoshi Universidad de Ritsumeikan et al.han logrado aumentar considerablemente la actividad catalítica de Rubisco * 1, la enzima quefija el carbono del CO 2 en la fotosíntesis de plantas. El equipo de investigación también planteó la hipótesis del mecanismo que determina la actividad catalítica de Rubisco, basándose en el análisis estructural de las proteínas.
En el futuro, se espera que el aumento de la capacidad fotosintética de los cultivos agrícolas conduzca a mayores rendimientos.
Estos resultados fueron publicados en la revista científica internacional Planta molecular el 31 de agosto
Puntos principales
antecedentes de investigación
La velocidad de crecimiento en las plantas está determinada principalmente por la capacidad fotosintética. Por lo tanto, mejorar la fotosíntesis en los cultivos agrícolas puede aumentar su rendimiento. En la fotosíntesis, Rubisco es una enzima que actúa como catalizador inicial de la reacción que convierte el CO 2 en carbono orgánico. Sin embargo, Rubisco tiene dos grandes inconvenientes que limitan la fotosíntesis: su actividad catalítica es muy baja y puede ser inhibida por O 2 es decir, Rubisco puede corregir por error a O 2 moléculas en lugar de CO 2 moléculas que crean un compuesto tóxico que debe ser reciclado por la planta.
La actividad catalítica de Rubisco varía según el tipo de planta. La mayoría de los cultivos principales, como el arroz, el trigo y la soja son C 3 plantas que utilizan la fotosíntesis regular. C 4 plantas, como el maíz y la caña de azúcar, por otro lado, han adquirido un mecanismo para concentrar CO 2 la C 4 vía fotosintética.
La tasa catalítica es baja en C 3 plantas, mientras que en C 4 plantas tiende a ser alta. Rubisco con alta actividad catalítica tiende a ser inhibida fácilmente por el oxígeno, por lo tanto no puede funcionar eficazmente en condiciones atmosféricas donde hay una baja concentración de CO 2 si la planta no tiene CO 2 -mecanismo de concentración. Sin embargo, como la cantidad de CO atmosférico 2 sigue aumentando, se cree que si C 3 las plantas tenían el mismo tipo de Rubisco altamente activo que C 4 plantas, entonces esto podría utilizarse para mejorar la capacidad fotosintética.
Resultados de la investigación :
Rubisco se compone de dos tipos de proteínas: subunidades grandes RbcL y subunidades pequeñas RbcS. La secuencia de aminoácidos en RbcS varía mucho entre especies. Este equipo se ha centrado en realizar investigaciones sobre RbcS. Genéticamentearroz modificado a C 3 planta transfiriendo RbcS desde C 4 planta de sorgo, aumentando con éxito la tasa catalítica del arroz Rubisco 1,5 veces. Este arroz con sorgo RbcS insertado línea SS, produjo una forma quimera de Rubisco a partir de sorgo RbcS y arroz RbcS. A continuación, se eliminó el gen RbcS del arrozen el sorgo, RbcS incorporó plantas de arroz utilizando la edición de genes CRISPR / Cas9.
En esta línea CSS sorgo RbcS transferido / arroz RbcS eliminado, el arroz RbcS fue reemplazado completamente por sorgo RbcS, produciendo híbrido Rubisco. Esto aproximadamente duplicó la tasa catalítica a la que es equivalente a C 4 plantas. Aunque muchos investigadores han podido mejorar las características catalíticas de Rubisco, no ha habido ejemplos de un aumento tan grande. Además, las plantas de la línea CSS demostraron una tasa fotosintética más alta que el arroz sin modificar tipo silvestre bajo un alto nivel de CO 2 condiciones, a pesar de que la cantidad de Rubisco en sus hojas fue más de un 30% menor.
Posteriormente, los investigadores realizaron cristalografía de rayos X * 2 para iluminar el mecanismo por el cual el sorgo RbcS aumenta la actividad catalítica de Rubisco. RbcL está presente en el sitio catalítico de Rubisco. Cerca de este sitio catalítico, hay una estructura llamada RbcS βC. Los 102 aminoácidos que se encuentran en βC son isoleucina en arroz y leucina en sorgo. La leucina tiene moléculas más pequeñas que la isoleucina. Por lo tanto, se cree que en el sorgo RbcS los espacios entre las moléculas de aminoácidos se hacen más grandes, lo que hace que el sitio de reacción sea más flexible y, por lo tanto,aumento de la actividad catalítica. Aunque se necesitan más investigaciones para probar esto, se cree que es una teoría innovadora no propuesta anteriormente para la investigación de Rubisco.
Conclusión
La línea CSS producida en este estudio demostró una alta capacidad fotosintética, sin embargo, el rendimiento del cultivo no mejoró. Con suerte, será posible mejorar enormemente el crecimiento y la productividad de las plantas mediante un control adecuado de los niveles de Rubisco.
La investigación actual utilizó la C 3 plantar arroz, sin embargo, es vital considerar las aplicaciones de esta metodología e investigar si se puede usar la misma estrategia para aumentar la actividad catalítica de Rubisco en otros cultivos importantes, como el trigo, la soja y la papa.
Se cree que el aminoácido 102 es un determinante importante de la actividad catalítica. Se están llevando a cabo más investigaciones para investigar esto; por ejemplo, reemplazando solo el aminoácido en el sitio 102 con otro aminoácido y produciendo Rubisco.
Glosario
1. Rubisco ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa / oxigenasa : En la fotosíntesis, la enzima Rubisco es el catalizador de la reacción inicial que fija el CO 2 . No es solo el catalizador para la reacción de fotosíntesis reacción de carboxilasa sino que también sirve como catalizador para la reacción de oxigenasa donde O 2 es el sustrato. Las plantas acumulan grandes cantidades de Rubisco en sus hojas para compensar la velocidad muy lenta del catalizador. Alrededor de la mitad de las proteínas solubles en las hojas de las plantas de arroz son Rubisco y se sabe que es la proteína más prevalente en la Tierra..
2. Cristalografía de rayos X: Un método para determinar las coordenadas espaciales de los átomos que componen un cristal mediante el análisis de la difracción obtenida de la radiografía de un monocristal. Esta es una forma de determinar la disposición estructural de las proteínas. Es necesario producir cristales de proteínas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Kobe . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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