东京大学研究生院农学生命科学研究科的矢守航副教授、中里一星特命助教、有村慎一教授，立命馆大学生命科学部的松村浩由教授，神户大学研究生院农学研究科的深山浩教授，大阪大学研究生院生命机能研究科的难波启一特任教授等人组成的研究团队，凭借自主开发的叶绿体基因组编辑技术，对负责碳固定的核心酶Rubisco（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶）进行强化，通过提升其催化效率，成功提高了光合作用能力和植物生产力。研究团队还确认，在未来预估的高CO₂条件下，该性能将进一步提升。该技术有望作为新一代育种技术投入应用。相关研究成果已发表在期刊《Nature Communications》的6月19日刊上。
图1 播种后48天的植物生长情况（供图：东京大学研究生院农学生命科学研究科矢守航副教授）
图中展示了当前大气CO₂浓度条件（381 µmol mol-1±14）下栽培的植物外观（a）、播种48天后的总叶面积（b）及地上部干物重（c）；以及高CO₂浓度条件（549 µmol mol-1±23）下栽培的植物外观（d）、总叶面积（e）及地上部干物重（f）。
数据以平均值±标准误（SE）表示，黑点为单个测量值。ns表示无显著差异（p > 0.05），*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，****p < 0.0001。基于各株系6株个体的测量结果，采用Dunnett双侧检验进行多重比较。
水稻、小麦等作物均属于C3植物，目前已知这类植物的Rubisco催化速率较低。相比之下，玉米等C4植物的Rubisco催化速率更快、表现出更强的光合作用能力，已有模型分析报告指出，若将C4植物的Rubisco导入C3植物，光合作用能力有望提升20%～50%。
另一方面，承担Rubisco绝大部分功能的大亚基基因由叶绿体基因组编码，其改造与编辑存在难度，因此一直未能实现性能提升。
为此，本次研究团队利用自主开发的叶绿体基因组编辑技术，向C3模式植物拟南芥叶绿体基因组编码的Rubisco大亚基基因中导入点突变，制备了7种单氨基酸置换株系。
对各突变体的酶学特性进行解析后证实，将第309个甲硫氨酸置换为异亮氨酸的突变体（M309I），与第397个天冬氨酸置换为天冬酰胺的突变体（D397N），催化速率（kcat）提升约10%。这两种突变体的光合作用能力提升了约15%。研究还发现，这些Rubisco的特性与C4植物的Rubisco存在共通之处。此外，这些突变体未出现Rubisco之外的其他变化。
此外，在当前大气CO₂浓度条件与高CO₂条件（本世纪末预估浓度约500ppm）下播种后栽培48天，结果显示，两种条件下的突变体相较于野生型，均表现出生长得到促进、总叶面积与地上部干物重增加的现象，且高CO₂条件下的促进效应更为显著。
研究团队还通过Rubisco结构解析，揭示了酶反应中心发生结构变化等现象。
今后，研究团队将该技术应用于主要作物的同时，还将进一步强化该技术。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Communications
论文：Chloroplast genome editing of Rubisco boosts photosynthesis and plant growth
DOI：10.1038/s41467-026-73783-w
