已知最复杂的基因转录机器——叶绿体基因转录机器的结构，被中国科学家联手破解，为三域生物的RNA聚合酶结构研究补上了“最后一块拼图”。这将为人类深入利用和改造叶绿体、打造全新“叶绿体工厂”，开启一扇新大门。

今天凌晨，国际顶尖学术期刊《细胞》以封面论文的形式刊登了由中国科学院分子植物卓越创新中心张余研究员领衔的这项研究。

破解细胞CPU“最后一块拼图”

植物的光合作用是“地球上最伟大的化学反应”，而叶绿体作为植物特有的细胞器，是光合作用进行的场地，堪称“阳光工厂”。“植物学家早就想一窥叶绿体的工作奥秘，却发现困难重重。”张余说，叶绿体其实是由15亿年前被真核细胞吞噬的蓝细菌演化而来，在漫长的进化过程中，不少蓝细菌的基因组丢失或转移，只留下小而精的叶绿体基因组。同时，真核细胞的细胞核编码了许多“部件”，被转运到叶绿体发挥功能。

过去几十年，科学家解开了多个基因转录机器的构造，但始终无法解开叶绿体基因转录核心机器——叶绿体RNA聚合酶（PEP）的结构。

在生命世界中，RNA聚合酶被称为“细胞中的CPU”。作为基因转录机器，DNA中记录的遗传信息必须通过它“解码”，才能最终合成出执行各种任务的蛋白质。这次，研究团队成功从烟草叶子中提纯到了叶绿体PEP的蛋白质复合物，用冷冻电镜解析出了其高分辨结构。

研究发现，叶绿体PEP共有20个“装配部件”，组成了催化、支架、保护、RNA和调控5个功能模块——这是目前已知最复杂的基因转录机器。

“在夏天或正午阳光过于强烈时，叶绿体内会产生大量活性氧，保护模块会清除超氧化物，使其不受伤害。”张余说，包括嫩芽变绿、秋叶变黄，叶绿体的数量也受到基因转录机器的精准控制，“陆地植物的种子在泥土中萌发时并不需要叶绿体，只有在破土而出后，叶绿体才开始工作”。

长期稳定支持攻关世界级难题

在细菌、古菌和真核生物中，共有9类RNA聚合酶，其他8类RNA聚合酶结构均已破解，而叶绿体PEP因“个头”庞大、结构复杂，被视为该领域未被破解的“最后一块拼图”。

2016年，34岁的张余递交了一份申请书，参与分子植物卓越中心青年骨干的遴选，提出要向“破解叶绿体PEP结构”这一植物学领域最基础、最重要的世界级科学难题发起挑战。

研究碰到的第一个难关就是叶绿体PEP的提纯，这也是阻碍“拼图”破解的最关键一步。得益于分子植物卓越中心学科交叉、国际交流的良好氛围，转机出现了。

2019年，分子植物卓越中心邀请叶绿体基因编辑领域权威专家、德国科学院院士、德国马普分子植物生理所的拉尔夫·博克前来交流。在他的学术讲座上，张余忽然获得了破解难题的灵感。

全球只有几个实验室掌握叶绿体基因编辑技术，张余找到了拉尔夫·博克的中国学生——华中农业大学副教授周菲。通过给叶绿体PEP打上特殊标签的巧妙设计，他们很快就精准地将其从烟草叶片细胞中“拽”了出来。

紧接着，张余研究组副研究员武霄仙在分子植物卓越中心的人工气候实验室里每两周种植200株烟草，不断采集叶片，终于突破了叶绿体PEP丰度低的短板。

论文通讯作者张余（中）与两位共同第一作者副研究员武霄仙（左）、穆文慧（右）

来自科技部、中国科学院、上海市的经费支持，使这项长达8年的基础研究“长跑”得以一路坚持。张余说，尤其是上海市的基础研究特区计划，给了科研人员充分信任与自由，“我们可以心无旁骛地攻关”。

改造叶绿体为“双碳”开辟新路径

叶绿体这个“阳光工厂”是名副其实的“水深火热之地”：既要捕获阳光中的光子、分解水，又要抓住二氧化碳来合成有机物。迄今为止人类还难以复现这个“从无机物到有机物”的高效合成过程。

“如今，我们破解了叶绿体PEP的结构，将为研制人造叶绿体、改造叶绿体，提供新思路。”中国科学院院士、分子植物卓越中心主任韩斌认为，这项研究为改造叶绿体基因表达调控网络、提高光合作用效率提供了起点，为提高粮食产量提供了新手段，还将为实现“碳达峰、碳中和”目标开辟新的研究路径。

目前，叶绿体研究已成为分子植物卓越中心的一个重要方向。这次，张余团队发现，在这个庞大复杂的蛋白质机器中，催化模块由叶绿体基因组编码，起源于蓝细菌；其他模块由细胞核基因组编码，起源于真核细胞，经细胞质翻译后运输至叶绿体完成组装……

张余在观察叶绿体基因转录机器的蛋白质亚基组分

“论文发表后，我们还将深入研究其工作过程和调控机制。”张余介绍，一个植物细胞中拥有成百个叶绿体，每个叶绿体好像独立工厂车间，如果提高叶绿体PEP的工作效率，就可能在合成生物产业中发挥巨大潜能，使一些物质的合成效率获得几何级数提升。

作者：许琦敏

文：许琦敏图：受访者提供编辑：许琦敏责任编辑：任荃

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