康奈爾大學農業與生命科學學院綜合植物科學系植物生物學組助理教授勞拉-岡恩（Laura Gunn）和她的同事們在提高植物生產力和促進碳固存方面取得了重大突破。他們利用細菌作為中介，成功地將高效紅藻的關鍵部分整合到煙草植物中。這項研究是提高農業效率的重要一步，最近登上了《自然-植物》的封面。

研究人員通過在煙草植物中加入藻類元素，顯著提高了植物的光合作用和生長能力，從而提高了植物的生產力和固碳能力。

這項研究以Rubisco 為中心，Rubisco 是地球上每個生態系統中最豐富的蛋白質。Rubisco 通過固定碳來完成光合作用的第一步，它以各種形式出現在各種生物體內，包括植物、紅藻、綠藻和細菌。Rubisco 的速度很慢，而且很難區分氧氣和二氧化碳，Gunn 和其他幾位Cornellians 正在研究這個問題。因此，Rubisco 經常限制植物生長和作物產量。

一种红藻Griffithsia monilis（Gm）含有Rubisco，它的固碳效率比其他生物（包括陸地作物）的Rubisco 高30%。至少20 年來，科學家們一直有興趣將高效的GmRubisco 移植到水稻、小麥、大豆和煙草等植物中，以提高它們的產量。這是因為Rubisco需要多種”伴侶”，它們對蛋白質的折疊、組裝和活性至關重要–煙草植物中有7種這樣的助手–而紅藻中的大多數伴侶都是未知的。

在他們的研究中，Gunn 和她的合著者得以解決GmRubisco 的三維結構問題，並利用這一信息成功地將水螅根桿菌（Rhodobacter sphaeroides，RsRubisco）的少量區域嫁接到細菌的Rubisco 中。

“RsRubisco的效率並不高，但它與GmRubisco的關係非常密切–它們就像是表親–這意味著，與陸地植物的Rubisco不同，它可以接受嫁接的序列，”Gunn說。”RsRubisco在陸地植物中折疊和組裝時也不需要任何特殊的伴侶物。”

這種變化使羧化率（Rubisco 啟動碳固定過程的速度）提高了60%，羧化效率提高了22%，RsRubisco 區分二氧化碳和氧氣的能力提高了7%。隨後，作者將他們的細菌突變體移植到煙草中，與未改變RsRubisco 的煙草相比，煙草的光合作用和植物生長都翻了一番。Gunn說，煙草是最容易操縱Rubisco的陸生植物，因此可以作為開發更高效的Rubisco的試驗案例，這種Rubisco可以轉移到更多與農藝相關的物種上。

Gunn說：”我們還沒有達到超越野生型煙草的程度，但我們已經步入正軌。我們只需要對Rubisco 性能進行適度的改進，因為即使在整個生長季中進行很小的改進，也能使植物的生長和產量發生巨大的變化，而且潛在的應用領域涉及多個領域：更高的農業產量；更高效、更經濟的生物燃料生產；碳封存方法；以及人造能源的可能性。”