▲中国科学院成功解析叶绿体基因转录机器构造

视频来源：中央广播电视总台

植物进行光合作用的细胞器叶绿体能把光能转化为化学能，把无机物变为有机物，可以说它是世界上成本最低，创造财富最多的生物工厂。科学家们通过多年研究发现，叶绿体基因组编码RNA聚合酶（PEP），控制叶绿体的发育过程以及成熟叶绿体的基因表达，在调控植物光合作用中发挥关键角色，然而这一叶绿体基因转录机器的构造一直未能破解，这是科学界公认的世界性难题。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余研究团队和华中农业大学周菲研究团队合作成功解析了叶绿体基因转录机器的结构。3月1日，该成果以封面文章的形式在线发表在国际顶级学术期刊《细胞》上。

该研究解析了叶绿体基因转录机器的冷冻电镜结构，揭示了叶绿体基因转录机器的“装配部件”“装配模式”和“功能模块”，为进一步探索叶绿体基因转录机器的工作模式、理解叶绿体的基因表达调控方式以及改造叶绿体基因表达调控网络打下了基础。

▲研究成果刊发的封面图。中国科学院分子植物科学卓越创新中心供图

RNA聚合酶是细胞中的“CPU”，它们“读取”细胞“硬盘”DNA，然后输出各种生命“操作”。迄今为止，科学家们已发现三域生物有9类基因转录机器，其中8类的结构机制都已被科学家们成功破解，PEP成为最后一块未被解析的“CPU”拼图。

植物叶绿体是在15亿年前，由原核蓝细菌被真核细胞所吞并演化而来，在此过程中，蓝细菌基因组基因不断被转移至细胞核，最终形成了“小而精”的叶绿体基因组，但是转录叶绿体基因组的机器却一点都不简单。

它在原核蓝细菌基因转录机器的基础上，装配了多个独特的功能模块，进而其“身形”变为原来的2.5倍，其“装配部件”数量变为原来的3倍。然而，这些模块在原核蓝细菌中却基本没有任何“原型”，大多数“借”于真核细胞。正因于此，PEP是目前已知最复杂的基因转录机器。

2016年，张余在递交中国科学院分子植物科学卓越创新中心人员遴选申请书时，便向这个世界性难题发起挑战。

为了解开PEP的真面目，张余研究团队和合作者，利用叶绿体转化技术，在烟草叶绿体基因转录机器上引入特征性的“捕获标签”，通过纯化烟草内源的叶绿体基因转录机器，并通过单颗粒冷冻电镜技术，最终解开了叶绿体基因转录机器的真面目。

▲张余（中）研究团队合影。中国科学院分子植物科学卓越创新中心供图

文章第一作者、中国科学院分子植物科学卓越创新中心副研究员武霄仙回忆：“叶绿体PEP在植物组织中的丰度极低，要提出足够纯的样品，也极具挑战。”为此，他们每半个月都要种200多棵烟草用于实验。

“当我们看到叶绿体PEP复合物结构时，为生命的神奇而惊叹，也深深感受到科学研究的快乐。”张余介绍，他们最终发现与原核蓝细菌基因转录机器相比，叶绿体基因转录机器一共具有20个“装配部件”（蛋白亚基），组成了5个功能模块（催化模块、支架模块、保护模块、RNA模块和调控模块）。

“叶绿体PEP通过演化出额外的亚基实现特异性的功能和更加复杂的调控。比如保护模块包括2个亚基，它们具有超氧化物歧化酶的功能，帮助叶绿体避免陆地强光照条件下光合作用产生的过量活性氧造成的损伤。”张余介绍，经过研究分析，他们发现叶绿体的PEP超大复合物进化时间与植物登陆的时间相一致。

▲叶绿体基因转录机器构造。中国科学院分子植物科学卓越创新中心供图

中国科学院院士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心韩斌表示，该研究为植物叶绿体生物反应器的效率提升提供了着手点，助力重组疫苗、重组蛋白药物和天然产物的生产。此外，还为光合作用系统基因表达水平的提高提供了新思路，助力植物高效碳汇。