Редактирование генома хлоропластов Rubisco повышает фотосинтез и рост растений

Неэффективность фотосинтеза ограничивает продуктивность и устойчивость сельскохозяйственного производства, а также устойчивость сельского хозяйства к будущим социальным и экологическим вызовам. Рибулозо-1,5-бисфосфат карбоксилаза/оксигеназа (Rubisco) обладает изначально низкой каталитической эффективностью, что делает её ключевой мишенью для улучшения фотосинтеза и культур. Однако внесение мутаций в кодируемую хлоропластом большую субъединицу Rubisco (rbcL), содержащую каталитические участки фермента, технически затруднено. В этом исследовании мы успешно получили ряд растений Arabidopsis thaliana с редактированным геномом хлоропластов, нацеленным на rbcL, с помощью направленного базового редактора ptpTALECD. Замены M309I и D397N в rbcL привели к увеличению каталитической скорости Rubisco (kcat) без снижения содержания Rubisco, что усиливало скорость фотосинтеза и рост растений как при современных концентрациях атмосферного CO2 (т.е. 381 μmol mol−1), так и при прогнозируемых будущих концентрациях (т.е. 549 μmol mol−1). Структурный анализ методом криоэлектронной микроскопии (cryo-EM) показал, что замены M309I и D397N, хотя и расположены далеко от каталитического участка, индуцируют структурные изменения в каталитических (60s) петлях. Наши результаты подчёркивают потенциал инженерии Rubisco для улучшения фотосинтеза и роста растений и демонстрируют уникальные возможности редактирования генома хлоропластов для повышения фотосинтетической эффективности и продуктивности сельхозкультур и снижения уровней атмосферного CO2 в не-ГМО контексте.