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Rewinding evolution in planta: A Rubisco-null platform validates high-performance ancestral enzymes

鲁比斯科 质体 生物 叶绿体 光合作用 计算生物学 转基因 蛋白质亚单位 转基因作物 基因组 表型 生物化学 遗传学 植物 细胞生物学 拟南芥 进化生物学 蓝藻
作者
Vishalsingh Chaudhari,Myat T. Lin,Kevin M. Hines,Maureen R. Hanson
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:123 (3): e2523360123-e2523360123 被引量:1
标识
DOI:10.1073/pnas.2523360123
摘要

Improving the photosynthetic enzyme Rubisco is a key target for enhancing C3 crop productivity, but progress has been hampered by the difficulty of evaluating engineered variants in planta without interference from the native enzyme. Here, we report the creation of a Rubisco-null Nicotiana tabacum platform by using CRISPR-Cas9 to knock out all 11 nuclear-encoded small subunit (rbcS) genes. Knockout was achieved in a line expressing cyanobacterial Rubisco from the plastid genome, allowing the recovery of viable plants. We then developed a chloroplast expression system for coexpressing both large and small subunits from the plastid genome. We expressed two resurrected ancestral Rubiscos from the Solanaceae family. The resulting transgenic plants were phenotypically normal and accumulated Rubisco to wild-type levels. Importantly, kinetic analyses of the purified ancestral enzymes revealed they possessed a 16 to 20% higher catalytic efficiency (kcat,air/Kc,air) under ambient conditions, driven by a significantly faster turnover rate (kcat,air). We have demonstrated that our system allows robust in vivo assessment of novel Rubiscos and that ancestral reconstruction is a powerful strategy for identifying superior enzymes to improve photosynthesis in C3 crops.
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