改變D1蛋白的表現方式可以造出耐熱高產的植物

藍綠菌的光系統II。圖片來源：維基百科

光合作用（photosynthesis）是植物所有生物化學反應的中心，它可分為「光反應」（light reaction）與「卡爾文循環」（Calvin cycle）兩部分。

其中的光反應，是由許多蛋白質與色素分子所構成的接力賽：光能由光系統II（photosystem II）或光系統II的天線「捕光複合體II」（LHCII，light harvesting complex II）進入，被光系統II的「反應中心」（reaction center）接收後，反應中心的兩個葉綠素a（chlorophyll a）「丟」出一顆電子給主要電子接受者（primary electron acceptor, pheophytin），開啟了光反應的電子傳遞鏈。

失去了一個電子的葉綠素a，會馬上從光系統II的D1蛋白取得一個電子，讓自己恢復原來的狀態，以準備下一回合的電子傳遞。少了一個電子的D1蛋白，則會由與光系統II緊密連結的產氧複合體（OEC，oxygen evolving complex）取得電子。產氧複合體會等到累積四個正電荷以後，便一次氧化兩個分子的水以取得四個電子，並產生氫離子與氧氣。

因此，光系統II的D1蛋白不斷地失去電子（氧化）、得到電子（還原），造成它每過大約三十分鐘就要換一個新的。D1蛋白也對溫度敏感。由於光系統II不能沒有D1蛋白，這使得D1蛋白成為光系統II能否有效率地執行功能的速率限制分子。

如果能夠改變D1蛋白，讓它耐熱或者讓它的表現量上升，是否能讓光合作用變得更有效率呢？這個想法應該有不少人曾有過，但卡在一個難處：D1蛋白的基因位於葉綠體內（psbA）。要「弄」葉綠體不是一件容易的事！

中國科學院的研究團隊想到：是否可以在細胞核裡面表現D1蛋白，來取代葉綠體的版本呢？他們不只是這麼想了，也這麼做了。由於原來的D1蛋白並不需要被「送」到葉綠體裡面，為了要讓細胞核表現的D1蛋白可以進入葉綠體，研究團隊把D1蛋白基因加上一小段「葉綠體的郵遞區號」，而且他們還把這個改造過的D1蛋白基因連結在一個熱反應啟動子的後面，如此一來當溫度上升時，位於細胞核裡面的psbA基因表現量就會提高。

出乎他們意料之外的是，轉殖植物除了因D1蛋白表現量增加出現產量上升的作用外，它們還特別耐熱。研究團隊測試了擬南芥（Arabidopsis thaliana）、稻米、煙草，發現轉殖擬南芥在攝氏41度下可以存活八個半小時（控制組在同樣的條件下幾乎死光了）。轉殖水稻在2017年上海曾出現攝氏36度的高溫十八天的狀況下，產量比控制組多了將近一成（8-10%）。

更棒的是，在正常溫度下這些轉殖植物的產量也比控制組要多得多。煙草的產量多了快五成（48%），水稻的產量多兩成。

這樣多產又耐熱的植物，正是未來對抗全球暖化的利器。未來如能將這個技術進一步測試於其他農作物上，應該可以幫助更多人！

參考文獻：

Nuclear-encoded synthesis of the D1 subunit of photosystem II increases photosynthetic efficiency and crop yield. Nature Plants