如果说光合作用是世界上最伟大的化学反应之一，应不为过。它为地球生命提供了能量和氧气，塑造了地球的生物圈，我们的衣食住行就直接或间接来自光合作用。诺贝尔奖历史上，有8次颁给了光合作用研究。

目前，全球生物碳汇（主要指森林吸收并储存二氧化碳的多少）存量约为5500亿吨，其中植物碳汇约4500亿吨。植物每年可新增固定二氧化碳约1230亿吨，在全球碳循环中起决定作用。如果提高光合作用效率，不仅可以提高植物固定二氧化碳的能力，还能提高农作物产量。

叶绿体是植物进行光合作用的场所，其重要性不言而喻，但人们对转录叶绿体基因组的“蛋白质机器”的构造一直不清楚。这是科学界公认的一道世界性难题。

3月1日，国际权威学术期刊《细胞》以封面文章在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余研究团队和华中农业大学周菲研究团队合作的一项成果，该研究解析了叶绿体基因转录“蛋白质机器”的冷冻电镜结构，为提高光合作用效率提供了新思路。

这道世界性难题究竟是如何被破解的？

【绕不过去的一道科学难题】

15亿年前，原核蓝细菌被真核细胞吞并，最终演化为如今的叶绿体。叶绿体既是光合作用的场所，也是植物特有的细胞器。

前人研究表明，转录叶绿体基因组的“蛋白质机器”非常重要，其控制叶绿体的发育过程以及成熟叶绿体的基因表达。破解这一“蛋白质机器”的精密构造，是提高光合作用效率绕不过去的一道科学难题。

此次研究在国际上首次拆解了这一“蛋白质机器”的“装配部件”“装配模式”和“功能模块”。

“我们发现这是目前已知最复杂的基因转录‘蛋白质机器’。”张余介绍，其共有20种“装配部件”， 其中14种是特有的，通过“套娃模型”进行装配：蓝细菌来源的“催化模块”位于最里层；7种“装配部件”位于中间层，组成“支架模块”；另7种“装配部件”位于最外层，其中两个部件组成“保护模块”，使其免受叶绿体中超氧化物的氧化攻击，一个部件组成“RNA模块”，推测可能参与转录关联的RNA加工过程，还有四个部件组成“调控模块”，推测它们参与基因转录“蛋白质机器”的活性调控。

论文封面图

有意思的是，研究人员是在大烟草叶绿体基因转录“蛋白质机器”上，加了一个特征性的“捕获标签”，从而获得完整的叶绿体基因转录蛋白质复合物，再通过单颗粒冷冻电镜技术，最终看清了“蛋白质机器”的三维结构。

为何选择大烟草？“这是植物研究的模式材料，其生物量比较大，且叶绿体的基因编辑或遗传转化方法比较成熟，效率高。”张余告诉解放日报·上观新闻记者，当时为了做研究，每半个月需种植200棵大烟草。

【要做最有挑战的课题】

“这是一项了不起的工作！”中国科学院院士、分子植物科学卓越创新中心主任韩斌，难掩激动。

时光回溯到8年前，当时34岁的张余，学成回国应聘分子植物科学卓越创新中心时，就立志攻关这一世界性难题——解析叶绿体基因转录“蛋白质机器”的结构。即使中心至今没有一台高端冷冻电镜，他的目光始终聚焦这一重要科学问题。

无独有偶。论文共同第一作者之一、分子植物科学卓越创新中心副研究员武霄仙，在张余团队从事博士后研究时，也曾说过一句话：要做最有挑战的课题。

张余研究员（中）与论文共同第一作者武霄仙（左）、穆文慧合影

【培育分子植物学科“生长点”】

“我们不是简单地看论文，论文并不作为研究组长的考核指标，就算在国际三大权威学术期刊发表论文，也没有额外奖励。”韩斌告诉解放日报·上观新闻记者，分子植物科学卓越创新中心致力于培育具有国际影响力的分子植物学科“生长点”，瞄准的是世界科技前沿，鼓励科研人员挑战科学难题。

生长点，是植物学的一个概念，细胞分裂最旺盛的分生组织。

从2009年开始，分子植物科学卓越创新中心对科研人员每5年开展一次评估，其中80%参考国际同行专家的评价。这使得科研人员不用功利化地发论文，而可以潜心“啃硬骨头”。

“青年科学家正处于创造力高峰，中心对于青年科学家一直予以倾斜支持。”张余说。

优秀博士后出站时，如果有着不错的科研成果，可以向中心直接申请副研究员岗位。武霄仙去年出站，提交申请后，经考核被聘为副研究员，更加安心地在这里做研究。

瞄准国家“双碳”战略需求，中心前几年就布局了“植物碳氮高效”等研究方向。获悉此次叶绿体基因转录“蛋白质机器”研究的最新成果，分子植物科学卓越创新中心副主任、植物高效碳汇重点实验室主任王佳伟已经通过重点实验室联合攻关方式支持他们的后续研究。

“我们只是刚刚推开了一扇门，要提高光合作用效率，未来的挑战是如何改造叶绿体。”张余说，道阻且长，但他们会坚定地走下去。