Växter utvecklades under miljontals år till en miljö som har förändrats dramatiskt under de senaste 150 åren sedan den industriella revolutionen började:koldioxidhalterna har ökat med 50 procent, och den genomsnittliga globala temperaturen har ökat med nästan 2 grader Fahrenheit. Medan naturlig anpassning inte har kunnat hänga med, forskare har utvecklat verktyg för att simulera miljoner år av evolution i dagar för att hjälpa växter att anpassa sig.

Utgiven av Journal of Biological Chemistry , forskare rapporterar en ny screeningstrategi som gjorde det möjligt för dem att identifiera, för första gången, en mycket mer effektiv form av enzymet Rubisco, som katalyserar det första steget att fixera koldioxid på väg till att skapa växtbiomassa vid fotosyntes.

"Även om det är det vanligaste och utan tvekan det viktigaste enzymet på vår växt, Rubisco var kanske inte evolutionens finaste ögonblick. Rubisco utvecklades när syre saknades i atmosfären, och som resultat, det tvingades inte lära sig att skilja mellan livslånga koldioxidmolekyler och syremolekyler som skapar en giftig förening som kostar plantan energi att återvinna, "sa Don Ort, Biträdande direktör för ökad fotosyntetisk effektivitet (RIPE), som stödde detta arbete. Ort är fysiolog vid USDA/ARS Photosynthesis Research Unit och Robert Emerson professor i växtbiologi och växtvetenskap vid Carl R. Woese Institute for Genomic Biology vid University of Illinois.

"Vi har visat att vi kan förbättra Rubiscos effektivitet, dess förmåga att skilja koldioxid från syre - det är det riktiga surret, "sa huvudförfattaren Spencer Whitney, docent vid Australian National University. "Vår Rubisco är snabbare och har en högre affinitet för koldioxid. Tidigare har denna bestämning tog ungefär två veckor, men vårt nya screeningssystem minskade den tiden mer än hälften. "

Med hjälp av riktad evolution, beskrivs ofta som evolution i ett provrör, laget testade 250, 000 mutant Rubiscos från cyanobakterier i E coli bakterier konstruerade så att deras överlevnad beror på enzymets effektivitet. "Att hitta svar på hur man förbättrar Rubisco är som att leta efter en nål i en höstack, "Whitney sa." Det fina med detta system är att det gör att vi kan bli av med alla höbitar. "

Arton Rubisco -mutanter överlevde skärmen, varav elva befanns vara mycket effektivare vid fixering av koldioxid. De fann att dessa mutationer är lokaliserade till en specifik, tidigare outforskad region av cyanobakteriell Rubisco. Nu hoppas de kunna göra liknande tweaks för att förbättra Rubisco i grödor och öka deras tillväxt och avkastning.