Nuclear-encoded synthesis of the D1 subunit of photosystem II increases photosynthetic efficiency and crop yield

光合作用 光系统II 叶绿体 拟南芥 转基因 光系统 蛋白质亚单位 光合效率 基因 细胞生物学 植物 生物 光合反应中心 生物物理学 突变体 生物化学
作者
Juan‐Hua Chen,Si‐Ting Chen,Ning‐Yu He,Qinglong Wang,Yao Zhao,Gao Wei,Fang‐Qing Guo
出处
期刊:Nature plants [Nature Portfolio]
卷期号:6 (5): 570-580 被引量:158
标识
DOI:10.1038/s41477-020-0629-z
摘要

In photosynthetic organisms, the photosystem II (PSII) complex is the primary target of thermal damage. Plants have evolved a repair process to prevent the accumulation of damaged PSII. The repair of PSII largely involves de novo synthesis of proteins, particularly the D1 subunit protein encoded by the chloroplast gene psbA. Here we report that the allotropic expression of the psbA complementary DNA driven by a heat-responsive promoter in the nuclear genome sufficiently protects PSII from severe loss of D1 protein and dramatically enhances survival rates of the transgenic plants of Arabidopsis, tobacco and rice under heat stress. Unexpectedly, we found that the nuclear origin supplementation of the D1 protein significantly stimulates transgenic plant growth by enhancing net CO2 assimilation rates with increases in biomass and grain yield. These findings represent a breakthrough in bioengineering plants to achieve efficient photosynthesis and increase crop productivity under normal and heat-stress conditions.
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