一项突破性研究揭示了一种在植物中从未发现过的二氧化碳固定酶的独特修饰方式。科学家已将这种修饰工程化引入其他植物，有望大幅提升作物的光合作用效率，从而增加产量并加速生长。Rubisco是植物捕获二氧化碳并将其转化为糖类的关键酶，由多个亚基协同工作。然而，该酶容易与氧气发生反应，产生有毒副产物2-磷酸乙醇酸，导致植物必须通过光呼吸循环回收该副产物，这一过程不仅消耗大量能量，还会向大气释放二氧化碳，严重拖累植物的光合产出和生长速度。
在藻类中，进化出了名为“淀粉体”（pyrenoids）的独特结构，能够浓缩Rubisco酶和二氧化碳，减少与氧气的接触，从而显著提高反应效率并减少有毒副产物的合成。藻类通过特定的连接蛋白将Rubisco酶连接在一起形成淀粉体。据估算，引入这种二氧化碳浓缩机制可使作物的光合效率提升30%至60%。然而，此前在陆生植物中寻找类似机制一直面临挑战，因为除了角苔类植物外，其他陆生植物均不具备淀粉体。
康奈尔大学植物生物学家Fay-Wei Li及其团队在研究角苔类植物时，意外发现了一种名为RbcS-STAR的Rubisco同工酶。基因组序列分析显示，该酶的小亚基C端存在一个102个氨基酸的延伸片段，能够形成卷曲螺旋结构，这是一种已知的参与蛋白质相互作用的结构。这一发现揭示了一种不同于藻类的新型Rubisco浓缩机制：在藻类中是通过额外的亚基连接，而在角苔类植物中则是通过小亚基自身的延伸实现。实验证实，将RbcS-STAR表达在缺乏淀粉体的近缘角苔类植物中，能够诱导形成新的类淀粉体结构；在模式作物拟南芥中，该蛋白不仅组装成功能性Rubisco全酶，还在叶绿体基质中诱导形成了显著的电子致密凝聚物。
剑桥大学植物生态学家Howard Griffiths对此表示高度赞赏，认为这是植物自身智慧与科学家探索能力的完美结合。但他也指出，将功能性淀粉体移植到水稻等作物中，仅靠Rubisco亚型是不够的，还需要配套的二氧化碳输送系统。Li对此表示认同，形象地比喻道：“我们建造了Rubisco的‘房子’（即淀粉体），但要使其真正发挥作用，还需要安装‘空调系统’来输送二氧化碳。”此外，马克斯·普朗克陆地微生物研究所的Tobias Erb认为，这种通过物理凝聚将酶聚集在一起以提高反应效率的生物物理策略，对其他生物技术领域也具有重要的启发意义。
对于中国种业和农业生物技术从业者而言，这一发现不仅提供了提升作物光合效率的全新基因工具，更启示我们在生物制造和酶工程领域，通过空间组织优化反应微环境可能是突破效率瓶颈的关键方向，值得在后续育种和合成生物学研究中重点关注。