葉綠體中的光合作用將光能轉化為化學能，為地球生命提供了能量和氧氣，是地球環境的重要塑造者。

如何能讓葉綠體“卷起來”，提高光合作用的效率？近日，上海科學家團隊解析了葉綠體基因轉錄機器構造，成果登上了國際頂級學術期刊Cell的封面。

Cell封面  本文圖片均為 中國科學院分子植物科學卓越創新中心 供圖 

據中國科學院分子植物科學卓越創新中心研究員張余介紹，15億年前，原核藍細菌被真核細胞所吞并，最終演化為如今的植物葉綠體。在此過程中，藍細菌基因組基因不斷被轉移至細胞核，最終形成了“小而精”的葉綠體基因組，但是轉錄葉綠體基因組的機器一點都不簡單。它在原核藍細菌基因轉錄機器的基礎上，裝配了多個獨特的功能模塊，進而其“身形”變為原來的2.5倍，其“裝配部件”數量變為原來的3倍。然而這些模塊在原核藍細菌中卻基本沒有任何“原型”，大多數“借”于真核細胞。

多年研究表明，葉綠體基因轉錄機器控制葉綠體的發育過程以及成熟葉綠體的基因表達，在調控植物光合作用中發揮關鍵角色，但葉綠體基因轉錄機器的構造依然未知。

葉綠體基因轉錄蛋白質機器構造。

北京時間2024年3月1日，國際頂級學術期刊Cell在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心張余研究團隊和華中農業大學周菲研究團隊合作完成的題為“Cryo-EM structures of the plant plastid-encoded RNA polymerase（植物葉綠體編碼的RNA聚合酶冷凍電鏡結構）”的封面文章，該研究解析了葉綠體基因轉錄機器的冷凍電鏡結構，揭示了葉綠體基因轉錄機器的“裝配部件”、“裝配模式”、“功能模塊”。

研究團隊首先利用葉綠體轉化技術構建了葉綠體轉基因煙草，隨后通過親和純化的方式獲得完整的葉綠體基因轉錄蛋白質復合物，最終利用單顆粒冷凍電鏡技術解析了葉綠體基因轉錄機器構造。與原核藍細菌基因轉錄機器相比，葉綠體基因轉錄機器一共具有20個“裝配部件”（蛋白亞基），組成了5個功能模塊（催化模塊、支架模塊、保護模塊、RNA模塊和調控模塊），催化模塊由葉綠體基因組編碼，其蛋白亞基起源于藍細菌。其他模塊由細胞核基因組編碼，其大部分蛋白亞基起源于真核細胞，在細胞質翻譯后運輸至葉綠體完成組裝。這些原核和真核起源的蛋白亞基組成了目前已知最復雜的基因轉錄機器。

藍細菌來源的催化模塊包含6個蛋白亞基，其位于復合物的核心層；支架模塊包含7個蛋白亞基，它們一方面穩定催化模塊，另一方面提供其他模塊的結合位點；保護模塊包括2個亞基，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；RNA模塊包括1個亞基，能夠序列特異性結合RNA，推測可能參與轉錄關聯的RNA加工過程；調控模塊包括4個亞基，推測它們參與基因轉錄機器的活性調控。

在基礎研究層面，本研究為進一步探索葉綠體基因轉錄機器的工作模式、理解葉綠體的基因表達調控方式，以及改造葉綠體基因表達調控網絡打下了基礎。

在合成生物學應用層面，本研究為植物葉綠體生物反應器的效率提升提供了著手點，助力重組疫苗、重組蛋白藥物、天然產物的生產。在“碳達峰”和“碳中和”的雙碳目標下，本研究為光合作用系統基因表達水平的提高提供了新思路，助力植物高效碳匯。

這項令學術界為之振奮的研究成果來之不易。2016年，張余提交了這一研究方向，至今耗費了近8年的時間才終于“坐穿冷板凳”，突破重重難關，取得了學術突破。“這得益于我們中心多年營造的讓青年人才潛心啃硬骨頭的氛圍。”張余說，但研究過程中也遭遇了最大的阻礙，就是中心缺乏冷凍電鏡裝置，為了科學研究他們只能前往國家重大基礎研究設施平臺排隊，甚至獲得了兄弟院所的幫助，才能成功完成了相關工作。

張余（中）研究員與文章第一作者武霄仙（左）、穆文慧（右）合影 

中國科學院分子植物科學卓越創新中心副研究員武霄仙和河南大學聯合培養碩士研究生穆文慧為該論文的共同第一作者，張余研究員和華中農業大學周菲副教授為共同通訊作者。該工作還得到了中國科學院分子植物科學卓越創新中心Chanhong Kim研究員的幫助。

記者也發現，此次張余帶領的年輕研究員們是兩個女生組成的攻堅隊伍，其中第一作者武霄仙就曾向張余表示，“我就要做實驗室最有挑戰的課題。”張余說，很高興看到年輕人能有這樣的志氣，并且取得了這樣的收獲。

本項目受到科技部重點研究計劃、中國科學院先導科技專項（B類）項目和上海市基礎研究特區計劃的資助。