Rubisco substitutions predicted to enhance crop performance through carbon uptake modelling.
Rubisco substitutions predicted to enhance crop performance through carbon uptake modelling.
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DOI：
10.1093/jxb/erab278
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发表时间：
2021-09-02
影响因子：
6.9
通讯作者：
Kapralov MV
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Iqbal WA;Miller IG;Moore RL;Hope IJ;Cowan-Turner D;Kapralov MV
使用最先进的冠层建模框架来预测 Rubisco 替代后作物碳吸收的变化。我们提供了一个新的视角，并改进了之前叶级别 Rubisco 建模研究的预测。提高二氧化碳固定酶 Rubisco 的性能是提高作物产量的目标之一。在此，将冠层 C3 和 C4 光合作用的地球系统模型 (ESM) 表示与物种特异性 Rubisco 参数相结合，以量化在田间条件下将外来 Rubiscos 生物工程转化为 C3 和 C4 作物的后果。冠层光合作用的“两片大叶”（阳光/阴影）模型与物种特异性 Rubisco 动力学参数一起使用，包括最大速率 (Kcat)、环境大气 O2 中 CO2 的 Michaelis-Menten 常数 (Kc21%O2)、CO2 对 O2 的特异性 (Sc/o) 以及相关的热活化 (Ha) 值。使用 Ameriflux 和 Fluxnet 数据库的数据对用 27 个物种的外源酶替代小麦、玉米和甜菜中的天然 Rubiscos 产生的冠层规模后果进行了建模。所包含的 Rubisco 动力学之间的变化对模拟的碳吸收率有不同的影响，来自几种 C4 草的 Rubisco 在小麦中表现出最大的潜力，可以提高 > 50% 的碳吸收，而在甜菜和玉米中则可以提高 > 25% 的碳吸收。这项研究还重申需要更多物种的完全表征的 Rubiscos 数据，以及 ESM 中“Vcmax”和“Jmax”温度响应的更好参数化。
A state-of-the-art canopy modelling framework was used to predict changes in crop carbon uptake after Rubisco substitutions. We provide a new perspective and improve predictions from previous Rubisco modelling studies at the leaf level. Improving the performance of the CO2-fixing enzyme Rubisco is among the targets for increasing crop yields. Here, Earth system model (ESM) representations of canopy C3 and C4 photosynthesis were combined with species-specific Rubisco parameters to quantify the consequences of bioengineering foreign Rubiscos into C3 and C4 crops under field conditions. The ‘two big leaf’ (sunlit/shaded) model for canopy photosynthesis was used together with species-specific Rubisco kinetic parameters including maximum rate (Kcat), Michaelis–Menten constant for CO2 at ambient atmospheric O2 (Kc21%O2), specificity for CO2 to O2 (Sc/o), and associated heat activation (Ha) values. Canopy-scale consequences of replacing native Rubiscos in wheat, maize, and sugar beet with foreign enzymes from 27 species were modelled using data from Ameriflux and Fluxnet databases. Variation among the included Rubisco kinetics differentially affected modelled carbon uptake rates, and Rubiscos from several species of C4 grasses showed the greatest potential of >50% carbon uptake improvement in wheat, and >25% improvement in sugar beet and maize. This study also reaffirms the need for data on fully characterized Rubiscos from more species, and for better parameterization of ‘Vcmax’ and temperature response of ‘Jmax’ in ESMs.
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