東京大學研究生院農學生命科學研究科的矢守航副教授、中里一星特命助教、有村慎一教授，立命館大學生命科學部的松村浩由教授，神戶大學研究生院農學研究科的深山浩教授，大阪大學研究生院生命機能研究科的難波啟一特任教授等人組成的研究團隊，憑藉自主開發的葉綠體基因組編輯技術，對負責碳固定的核心酵素Rubisco（核酮醣-1,5-二磷酸羧化酵素/加氧酵素）進行強化，通過提升其催化效率，成功提高了光合作用能力和植物生產力。研究團隊還確認，在未來預估的高CO₂條件下，該性能將進一步提升。該技術有望作為新一代育種技術投入應用。相關研究成果已發表在期刊《Nature Communications》的6月19日刊上。
圖1 播種後48天的植物生長情況（供圖：東京大學研究生院農學生命科學研究科矢守航副教授）
圖中展示了當前大氣CO₂濃度條件（381 µmol mol-1±14）下栽培的植物外觀（a）、播種48天後的總葉面積（b）及地上部乾物重（c）；以及高CO₂濃度條件（549 µmol mol-1±23）下栽培的植物外觀（d）、總葉面積（e）及地上部乾物重（f）。
數據以平均值±標準誤（SE）表示，黑點為單個測量值。ns表示無顯著差異（p > 0.05），*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，****p < 0.0001。基於各株系6株個體的測量結果，採用Dunnett雙側檢驗進行多重比較。
水稻、小麥等作物均屬於C3植物，目前已知這類植物的Rubisco催化速率較低。相比之下，玉米等C4植物的Rubisco催化速率更快、表現出更強的光合作用能力，已有模型分析報告指出，若將C4植物的Rubisco導入C3植物，光合作用能力有望提升20%～50%。
另一方面，承擔Rubisco絕大部分功能的大亞基基因由葉綠體基因組編碼，其改造與編輯存在難度，因此一直未能實現性能提升。
為此，本次研究團隊利用自主開發的葉綠體基因組編輯技術，向C3模式植物擬南芥葉綠體基因組編碼的Rubisco大亞基基因中導入點突變，製備了7種單氨基酸置換株系。
對各突變體的酵素學特性進行解析後證實，將第309個甲硫胺酸置換為異白胺酸的突變體（M309I），與第397個天冬氨酸置換為天冬醯胺酸的突變體（D397N），催化速率（kcat）提升約10%。這兩種突變體的光合作用能力提升了約15%。研究還發現，這些Rubisco的特性與C4植物的Rubisco存在共通之處。此外，這些突變體未出現Rubisco之外的其他變化。
此外，在當前大氣CO₂濃度條件與高CO₂條件（本世紀末預估濃度約500ppm）下播種後栽培48天，結果顯示，兩種條件下的突變體相較於野生型，均表現出生長得到促進、總葉面積與地上部乾物重增加的現象，且高CO₂條件下的促進效應更為顯著。
研究團隊還通過Rubisco結構解析，揭示了酵素反應中心發生結構變化等現象。
今後，研究團隊將該技術應用於主要作物的同時，還將進一步強化該技術。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Communications
論文：Chloroplast genome editing of Rubisco boosts photosynthesis and plant growth
DOI：10.1038/s41467-026-73783-w
