碳酸酐酶（Carbonic anhydrase）在光合作用中的角色

 

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碳酸酐酶（Carbonic anhydrase）是動植物都有的酵素。在動物，碳酸酐酶的功能是將二氧化碳轉為重碳酸根（HCO₃^-），以維持細胞液與血液的酸鹼平衡。

在植物，碳酸酐酶被認為是負責將細胞中的重碳酸根轉為二氧化碳，讓植物可以有更多的二氧化碳來進行碳反應（Calvin-Benson cycle）。如果這個想法是正確的，那麼將植物的碳酸酐酶給剔除，應該會對植物的光合作用效率發生影響。

最近的研究發現，當他們把煙草（C3植物）的兩個碳酸酐酶以基因編輯的方式給剔除後，植物的葉片雖然出現了一些壞死的斑塊，但光合作用的效率並未受到影響。有趣的是，當他們把環境的二氧化碳濃度提升到 9000 ppm後，植物的壞死斑塊就消失了，顯示碳酸酐酶對植物的影響應該是在供應植物重碳酸根，而不是供應二氧化碳來協助光合作用。

研究團隊為何會想到要剔除碳酸酐酶呢？原來是因為想要提升C3植物細胞中的二氧化碳濃度，進而提升它們的光合作用效率。畢竟這個酵素雖然可以將重碳酸根轉為二氧化碳，但它也可以進行相反的反應，讓二氧化碳變少。也就是因為這樣，研究團隊才想要把它們給剔除。在所有的植物中，C3植物的光合作用效率是最低的，也是最耗水的。但很不幸的，主要的農作物（如稻、麥）都是C3植物，所以這些年來如何提升它們的光合作用效率也是一個熱門課題。

雖然剔除碳酸酐酶不影響光合作用，但是要把植物養在9000 ppm的二氧化碳下也太不切實際；所以研究團隊未來計畫要把一個重碳酸根的運輸蛋白表現在葉綠體的膜上，讓細胞質的重碳酸根可以進入葉綠體。不知道這麼一來，所產生的新品系植物光合作用的效率是否會變得更好呢？

參考文獻：

Kevin M. Hines, Vishalsingh Chaudhari, Kristen N. Edgeworth, Thomas G. Owens, Maureen R. Hanson. Absence of carbonic anhydrase in chloroplasts affects C3 plant development but not photosynthesis. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021; 118 (33): e2107425118 DOI: 10.1073/pnas.2107425118