祖穆记者邹昊

通讯员蒋超昌张璇玉

叶绿体基因组编码RNA聚合酶（PEP），控制叶绿体的发育和成熟叶绿体的基因表达，在调节植物光合作用中起关键作用。然而，这种叶绿体基因转录机的结构一直没有得到解决，这是科学界公认的世界性难题。

3月1日，国际学术期刊《细胞》在线发表了这篇由中国科学院分子植物科学卓越中心张宇研究团队和华中农业大学周菲研究团队共同完成的研究论文。作为封面文章和封面图片，它展示了叶绿体基因“转录机”的极其复杂的结构——叶绿体PEP，填补了“生命之书”中的一项研究。

叶绿体基因转录机——叶绿体PEP的复杂结构

“地球上有三种生命形式:细菌、古细菌和真核生物，每种生命形式的基因转录机结构都不一样。叶绿体PEP结构的成功解析填补了这一谜题的最后空白。”张宇研究员说。

“转录”是阅读“生命之书”的一种独特方式。生命的遗传信息写在DNA上，DNA必须转录成RNA才能翻译成蛋白质，最终实现生命的各种功能。

叶绿体是植物进行光合作用的场所。大约15亿年前，原始真核细胞吞噬蓝藻，进化出真核单细胞藻类，最后进化出高等植物。作为叶绿体DNA的“转录机器”，叶绿体PEP负责叶绿体的发育及其功能。漫长的进化过程使叶绿体PEP的结构变得非常复杂，一直不为人所知。

张宇和周菲两个研究小组密切合作，通过叶绿体转化技术将特征性“捕获标签”引入烟草叶绿体基因转录机。通过纯化烟草内源叶绿体基因转录机，利用单颗粒冷冻电镜技术，终于揭开了PEP的真面目。

叶绿体进化

基于烟草叶绿体基因组的稳定转基因植物的构建

叶绿体基因转录机的三维结构

叶绿体基因转录机的构建

周菲副教授于2010年底离开马普分子植物生理学研究所，加入华中农业大学生命科学与技术学院和作物遗传改良国家重点实验室。2019年，周菲副教授在其导师、德国科学院院士拉尔夫·博克的指导下与张宇的研究团队合作。

副教授周菲告诉吉姆新闻记者，该课题的瓶颈之一是植物叶绿体中PEP复合物的含量很低，因此很难通过传统方法纯化它，也没有办法进一步分析其结构。叶绿体转化技术具有许多优点，其中之一是可以通过同源重组在固定点插入DNA片段。因此，利用该技术，研究团队可以在PEP的基因序列中添加一段DNA序列作为标签，然后通过亲和纯化从复合物组分中“拉出”PEP，从而获得叶绿体基因转录蛋白复合物。当然，用标记叶绿体转化植物，需要建立稳定的纯化过程，这一过程终于在2022年建立起来，突破了PEP蛋白获取的瓶颈。

国际同行认为，这项研究是细胞器转录领域的重大突破之一。在基础研究层面，该研究为进一步探索叶绿体基因转录机的工作模式、理解叶绿体基因表达的调控模式以及改造叶绿体基因表达调控网络奠定了基础。在合成生物学的应用层面上，该研究为提高植物叶绿体生物反应器的效率提供了起点，有助于生产重组疫苗、重组蛋白药物和天然产物。在“二氧化碳排放达峰”和“碳中和”的双碳目标下，该研究为提高光合作用系统的基因表达水平提供了新思路，有助于植物高效碳汇。

（责任编辑：董萍萍 ）