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

核酮糖 固碳 类囊体 植物
作者
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
出处
期刊:The Plant Cell [Oxford University Press]
卷期号:32 (9): 2898-2916 被引量:22
标识
DOI:10.1105/tpc.20.00288
摘要

Engineering improved Rubisco for the enhancement of photosynthesis is challenged by the alternate locations of the chloroplast rbcL gene and nuclear RbcS genes. Here we develop an 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 the wild type) in the lines incorporating a rbcS gene whose codon use and 5′ untranslated-region 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, and pS3) or the potato trichome pST-subunit. The pS3-subunit caused impairment of 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 for introduction and evaluation of novel homogeneous Rubisco complexes in a whole plant context.
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