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近期，中國科學院分子植物科學卓越創新中心揭示了萊茵衣藻CO2濃縮機制（CCM）中HCO3?轉運通道LciA蛋白的底物選擇性機制，并通過結構指導的分子設計，實現了HCO3?轉運活性的理性改造，為利用CCM改造C3（如小麥、水稻等）作物以提升光合效率，提供了重要元件與分子策略。在長期演化中，光合藻類形成了高效的CO2濃縮機制。這一機制通過無機碳轉運蛋白提升RuBisCo周圍的CO2濃度來加速固碳反應發生，進而提升光合作用效率。將藻類CCM導入C3作物，被認為是突破現有光合效率極限的前沿策略。研究團隊利用冷凍電鏡技術，解析了LciA蛋白的高分辨率三維結構，揭示其選擇性識別底物HCO3?的關鍵機制——氨基酸殘基Lys220通過靜電作用精準捕獲帶負電的HCO3?，而氨基酸殘基Ala117與Val267形成空間約束，協同確保了底物的高特異性。實驗表明，關鍵氨基酸位點突變K136A與A114F，能夠增強LciA蛋白的HCO3?轉運活性，驗證了結構分析的準確性。基于這一結構藍圖，研究團隊對LciA蛋白的所屬的FNT及NAR1家族成員展開理性設計。一方面，團隊將細菌亞硝酸鹽通道NirC，改造為具有HCO3?轉運活性的新型元件；另一方面，團隊發現，萊茵衣藻葉綠體膜的轉運蛋白NAR1.1和NAR1.5具有HCO3?轉運活力，通過優化NAR1.1的位點，可提升其HCO3?轉運活性。這些研究破解了真核生物CCM中底物無機碳識別與轉運的分子機制，實現了以結構為基礎的HCO3?轉運活性的理性設計與分子改造。相關研究成果在線發表在《自然-植物》（Nature Plants）上。《自然-植物》同期配發了研究簡報。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院相關項目等的支持。論文鏈接將藍藻CCM導入植物葉綠體的改造策略