解讀“生命天書”，我國科學家成功破解世界性難題

極目新聞記者 鄒浩

通訊員 蔣朝常 張烜煜

葉綠體基因組編碼RNA聚合酶（PEP），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，然而這一葉綠體基因轉錄機器的構造一直未能破解，這是科學界公認的世界性難題。

3月1日，國際學術期刊《細胞》在線發表了由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這項研究論文，並作為封面文章、封面圖片展現了葉綠體基因“轉錄機器”——葉綠體PEP極其複雜的構造，填補了“生命天書”中一項研究空白。

葉綠體基因“轉錄機器”——葉綠體PEP的複雜構造

“地球上生命有三種形式：細菌、古菌和真核生物，每一種生命形式的基因轉錄機器構造都不相同。葉綠體PEP構造的成功解析，填補了這個拼圖的最後一個空白。”張余研究員說。

“轉錄”是“生命天書”特有的閱讀方式。生命的遺傳信息寫在DNA上，首先要被轉錄為RNA，才能被翻譯成蛋白質，最終實現生命的各種功能。

葉綠體是植物光合作用的場所。大約15億年前，原始的真核細胞吞噬了藍細菌，進化出真核單細胞藻，最後進化出高等植物。葉綠體PEP作為葉綠體DNA的“轉錄機器”，負責葉綠體的發育和其功能發揮。漫長的進化過程，讓葉綠體PEP構造變得十分複雜，一直不為人們所知。

張余和周菲兩個研究團隊緊密合作，利用葉綠體轉化技術，在煙草葉綠體基因轉錄機器上引入特徵性的“捕獲標籤”，通過純化煙草內源的葉綠體基因轉錄機器，利用單顆粒冷凍電鏡技術，最終解開了PEP的真面目。

葉綠體的進化

基於煙草葉綠體基因組，構建穩轉遺傳植株

葉綠體基因轉錄機器的三維結構

葉綠體基因轉錄機器的構造

周菲副教授於2010年底從德國馬普分子植物生理所博士後出站，加入華中農業大學生命科學技術學院、作物遺傳改良國家重點實驗室。2019年，周菲副教授在導師德國科學院院士Ralph Bock的牽線下，與張余研究團隊展開合作。

周菲副教授告訴極目新聞記者，這個課題的一個瓶頸就是葉綠體的PEP複合體在植物裡面的量很低，所以利用傳統的方法很難純化出來，也就沒有辦法進一步解析結構。葉綠體轉化技術有很多優點，其中一個是可以通過同源重組可以實現DNA片段的定點插入。因此利用該技術，研究團隊就能夠在PEP的基因序列中加上一段DNA序列作為標籤，再通過親和純化的方式，把PEP從複雜的組分中“拉”出來，從而獲得葉綠體基因轉錄蛋白質複合物。當然，有了帶標籤的葉綠體轉化植株，後面還需要建立穩定的純化流程，在2022年才最終建立了該流程，突破了PEP蛋白獲取瓶頸。

國際同行認為，該研究是細胞器轉錄領域的重大突破之一。在基礎研究層面，該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，該研究為植物葉綠體生物反應器的效率提升提供了着手點，助力重組疫苗、重組蛋白藥物、和天然產物的生產。在“碳達峰”和“碳中和”的雙碳目標下，該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。

（來源：極目新聞）

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