水生植物RuBisCO基因的趋同演化

植物碳固定,作为碳循环中的核心环节,对全球粮食产量与气候变迁具有深远影响。在此过程中,核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(RuBisCO)的作用举足轻重。其催化速率与特异性间存在微妙的平衡:特异性降低,催化速率上升,但副反应中的有毒副产物亦随之增多,从而影响整体效率。然而,水生植物却拥有独特的CO2富集机制,有效减少了副反应的影响,为酶创造了优越的工作环境。本文以高等水生植物入水事件为切入点,深入研究了其核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶大亚基蛋白的趋同进化。旨在寻找与入水事件紧密相关的趋同进化位点,并探究CO2富集机制下该酶理化性质的变化,为酶的优化提供新思路。收集了泽泻目、唇形目、虎耳草目、水韭目、山茱萸目和金鱼藻目等6个目共48个物种的酶蛋白质序列信息,并确定了6次关键的入水事件。采用PCOC分析方法,整合了这6次入水事件的数据,深入剖析了水生植物的进化趋势。分析结果显示,水生植物中可能存在一个关键的趋同进化位点,位于蛋白质序列的第328号位置,紧邻酶的活性中心。推测该位点的替换可能增强了反应底物进入活性中心区域的灵活性,使CO2更易进入,从而提升了酶的催化速率。这一发现为后续的酶改进突变实验指明了方向,提供了坚实的理论依据。研究成果不仅有助于优化该酶的催化效率和适应性,也为深入研究植物碳固定机制提供了新的视角。