發現合成葉綠素c的酵素

 

葉綠素c2。圖片來源：維基百科

在大學學過光合作用的人都知道，高等陸生植物有兩種葉綠素：葉綠素a與葉綠素b。但是，海洋的藻類有葉綠素c。

葉綠素a與葉綠素b的最大吸收波長分別是430, 662與453, 642奈米。但是葉綠素c的最大吸收波長是447-452奈米。因此，與葉綠素a、b不一樣的是，葉綠素c是藍綠色的。它吸收的光為何會如此不同呢？原來是因為海水會吸收紅光，所以海中的植物不能像陸生植物一樣吸收紅光，必須去開發其他波長的光來進行光合作用。

因此，葉綠素c成為藻類的一個「特徵」，在鑑別植物樣品是不是藻類時，科學家們都會驗葉綠素c。

但是，葉綠素c是怎麼合成的？過去的研究，已經解開部分的謎題；最近美國加州大學的研究團隊，在研究一種褐藻（Breviolum minutum）時，發現了合成葉綠素c的基因。

研究團隊一開始其實是想瞭解與珊瑚蟲共存的藻類。他們想瞭解這些藻類如何進行光合作用，於是他們將這種藻類進行誘導突變，分離出顏色不一樣的突變株。其中一株，被他們稱為lbr1（lbr是less brown「不那麼褐」的意思），lbr1是淡黃色的，且無法進行光合自營生長，必須靠外加養分才能生存。

分析發現，lbr1不能合成葉綠素c₂。透過對lbr1突變株轉錄組的定序分析，研究團隊發現了至少79個可識別的突變。其中一個單核苷酸的缺失導致了一個基因（s6_3623）發生移碼突變。這個基因產生一個蛋白質，預測包含有定位到葉綠體的序列、葉綠素a/b結合域以及2-氧代戊二酸-Fe(II)雙加氧酶（2OGD）家族域。這些發現顯示，這個基因的突變與lbr1突變株缺乏葉綠素c生產的性狀直接相關。

想要瞭解一個基因的功能，最直接的就是把它放回去突變株，看看突變株會不會恢復正常。但是，因為目前還沒有辦法轉殖這種褐藻，研究團隊退而求其次，把它轉殖到煙草裡面。結果轉殖的煙草就開始生產一個新的色素，波長與葉綠素c₂一樣，於是研究團隊就把這個基因命名為葉綠素c合成酶（CHLOROPHYLL C SYNTHASE，CHLCS）。

研究團隊還進一步研究了一下葉綠素c合成酶，發現它必須要在葉綠體裡面才能合成葉綠素c。如果把它的葉綠體定位序列破壞，它就不會出現在葉綠體裡面、也不會合成葉綠素c了。

研究團隊認為，發現葉綠素c合成酶不僅僅是解開了葉綠素c合成之謎，由於葉綠素c可以吸收與葉綠素a、b不同的光，如果讓農作物可以產生葉綠素c，或許可以讓農作物的產量上升也未可知。

參考文獻：

Robert E. Jinkerson, Daniel Poveda-Huertes, Elizabeth C. Cooney, Anna Cho, Rocio Ochoa-Fernandez, Patrick J. Keeling, Tingting Xiang, Johan Andersen-Ranberg. Biosynthesis of chlorophyll c in a dinoflagellate and heterologous production in planta. Current Biology, 2024; 34 (3): 594 DOI: 10.1016/j.cub.2023.12.068