ルビスコの大小サブユニットの葉緑体同時形質転換による植物の光合成と成長の改変

Modifying Plant Photosynthesis and Growth via Simultaneous Chloroplast Transformation of Rubisco Large and Small Subunits.

• Elena Martin-Avila
• Yi-Leen Lim
• Rosemary Birch
• Lynnette M A Dirk
• Sally Buck
• Timothy Rhodes
• Robert E Sharwood
• Maxim V Kapralov
• Spencer M Whitney

抄録

光合成を促進するための改良されたルビスコのエンジニアリングは、葉緑体のrbcL遺伝子と核内のRbcS遺伝子の位置が交互に変化することが課題となっている。ここでは、rbcL-rbcSオペロン葉緑体形質転換により均質な植物ルビスコを生産するためのRNAi-RbcSタバコ（Nicotiana tabacum）マスターライン、tobRrΔSを開発する。代替rbcS遺伝子とそれに隣接する5'-インタージェニック配列をコードする4つの遺伝子型を用いて、コドン使用量と5'UTRがrbcLと一致するrbcS遺伝子を組み込んだ系統でルビスコの生産が最も高い（野生型の50％）ことを明らかにした。ここで生産された追加のタバコ遺伝子型は、3つのメソフィルスモールサブユニット（pS1, pS2, pS3）のいずれかをコードするか、またはジャガイモのトリコームpSTサブユニットをコードする、異なるジャガイモ（Solanum tuberosum）のrbcL-rbcSオペロンを組み込んでいた。pS3サブユニットは、pS1、pS2またはpSTを産生する系統と比較して、ジャガイモのルビスコ産生を15%程度阻害した。しかし、pS3サブユニットのβA-βBループのAsn-55-HisおよびLys-57-Ser置換は、pS1またはpS2サブユニットを組み込んだジャガイモルビスコと比較して、カルボキシル化率を13％、カルボキシル化効率（CE）を17％改善した。タバコの光合成と生育は、pSTサブユニットを組み込んだジャガイモルビスコを生産した系統で最も障害を受け、CEとCO2/O2特異性がそれぞれ40％と15％低下した。rbcS 遺伝子を植物のプラスストームに戻すことで、植物全体の文脈で新規の均質なルビスコ複合体を導入し評価するための効果的なバイオエンジニアリング手法を提供することができた。

Engineering improved Rubisco to enhance photosynthesis is challenged by the alternate locations of the chloroplast rbcL gene and nuclear RbcS genes. Here we develop a RNAi-RbcS tobacco (Nicotiana tabacum) master-line, tobRrΔS, for producing homogenous plant Rubisco by rbcL-rbcS operon chloroplast transformation. Four genotypes encoding alternative rbcS genes and adjoining 5'-intergenic sequences revealed that Rubisco production was highest (50% of wild type) in the lines incorporating a rbcS gene whose codon use and 5'UTR matched rbcL. Additional tobacco genotypes produced here incorporated differing potato (Solanum tuberosum) rbcL-rbcS operons that either encoded one of three mesophyll small subunits (pS1, pS2, pS3) or the potato trichome pST-subunit. The pS3-subunit impaired potato Rubisco production by ~15% relative to the lines producing pS1, pS2 or pST. However, the βA-βB loop Asn-55-His and Lys-57-Ser substitutions in the pS3-subunit improved carboxylation rates by 13% and carboxylation efficiency (CE) by 17% relative to potato Rubisco incorporating pS1 or pS2-subunits. Tobacco photosynthesis and growth were most impaired in lines producing potato Rubisco incorporating the pST-subunit, which reduced CE and CO2/O2 specificity 40% and 15% respectively. Returning the rbcS gene to the plant plastome provides an effective bioengineering chassis to introduce and evaluate novel homogeneous Rubisco complexes in a whole plant context.

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