叶绿体，地球生命能量与氧气的重要源泉，通过光合作用将光能转化为化学能，对地球环境的塑造起着决定性作用。近日，一项来自上海科学家团队的研究突破，或将引领我们找到提升光合作用效率的新途径。该团队成功解析了叶绿体基因转录机器这一复杂构造，并在国际顶级学术期刊《Cell》上以封面文章的形式发布其研究成果。
时光回溯至15亿年前，原核蓝细菌被真核细胞内化，演化为如今植物内的叶绿体。在这个漫长的过程中，蓝细菌基因不断转移至细胞核，形成了精炼小巧的叶绿体基因组，但负责转录此基因组的“引擎”却并不简单。它不仅沿袭了原核蓝细菌基因转录机器的基础结构，还创新装配了多个独特功能模块，使自身规模扩大至原先的2.5倍，组件数量增至3倍，而这些模块在原核蓝细菌中并无原型，大部分源自真核细胞。尽管叶绿体基因转录机器在调控植物光合作用和叶绿体发育过程中扮演关键角色，其具体构造却一直未被揭示。
北京时间2024年3月1日，《Cell》杂志在线发表了由中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余研究员团队及华中农业大学周菲研究团队联手完成的里程碑式科研成果——题为“Cryo-EM structures of the plant plastid-encoded RNA polymerase”的封面文章。该研究利用先进的冷冻电镜技术，首次清晰解析出叶绿体基因转录机器的精细结构，揭开了其包含催化模块、支架模块、保护模块、RNA模块以及调控模块等五大功能模块的神秘面纱，共涉及20个蛋白亚基的组装细节。
研究团队首先采用叶绿体转化技术构建了转基因烟草，通过亲和纯化方法获得了完整的叶绿体基因转录蛋白质复合物，并运用单颗粒冷冻电镜技术对其构造进行了解析。结果表明，叶绿体基因转录机器的构成高度复杂且融合了原核与真核生物起源的蛋白亚基，堪称目前最复杂的基因转录机器。
在基础研究层面，这项突破性研究为深入探究叶绿体基因转录的工作模式、理解叶绿体基因表达调控方式及其改造提供了理论基石。而在应用层面，该研究对于提升植物叶绿体生物反应器效率，助力重组疫苗、重组蛋白药物和天然产物生产具有重大意义，尤其在全球双碳目标背景下，为提高光合作用系统基因表达水平、促进植物高效固碳能力开辟了全新路径。
值得一提的是，这项令学术界瞩目的研究成果背后凝聚了研究团队长达近8年的艰辛探索与不懈努力。面对缺乏冷冻电镜装置的困境，张余研究员带领团队辗转于国家重大基础研究设施平台，甚至得到了兄弟院所的鼎力支持，最终才得以攻克难关，实现了科研上的重大突破。
论文共同第一为中国科学院分子植物科学卓越创新中心副研究员武霄仙和河南大学联合培养硕士研究生穆文慧，共同通讯为张余研究员和华中农业大学周菲副教授。此次研究亦得到科技部重点研究计划、中国科学院先导科技专项（B类）项目以及上海市基础研究特区计划的资金支持。尤为令人欣喜的是，张余研究员麾下的年轻女研究员们展现出勇于挑战前沿课题的精神风貌，她们的决心与毅力成就了今日的科研硕果。
