藻类可能是养活世界新兴人口的关键。别担心; 没有人会让你吃它们。但是因为它们比从大多数植物吸收空气中的二氧化碳更有效，藻类可以改变农业。如果它们的效率可以转移到作物上，我们可以用更少的水和更少的氮肥在更短的时间内种植更多的食物。

由卡内基的Martin Jonikas领导的团队在美国国家科学院院刊上发表的一项新工作揭示了一种蛋白质，它是绿藻实现如此卓越效率所必需的。这种蛋白质的发现是利用绿藻的力量进行农业的重要的第一步。

这一切都始于世界上最丰富的酶Rubisco。

Rubisco将大气中的二氧化碳“固定”（或转化）成为地球上所有光合生物中的碳基糖，如葡萄糖和蔗糖。正如我们所知，这种反应对地球上的生命至关重要，因为几乎所有构成生物的碳都在某种程度上被这种酶“固定”在大气中。这种反应的速度限制了我们许多作物的生长速度，许多科学家认为加速这种反应会提高作物产量。

关于Rubisco的有趣之处在于，它在大约30亿年前首次在细菌中进化，当时地球的大气层与现在相比有更多的二氧化碳。随着光合细菌在古代地球上变得越来越流行，它们改变了我们大气层的成分。

“Rubisco在古老的地球富含二氧化碳的环境中非常有效地运作，”Jonikas说。“但它最终将大部分二氧化碳排出大气层，到今天二氧化碳是一种微量气体。”

Rubisco确实是自己成功的牺牲品。在当今大气层中，二氧化碳仅占分子的约0.04％。在这种低浓度的二氧化碳中，Rubisco的工作速度极慢，这限制了许多作物的生长速度。

事实证明，藻类已经发展成为让Rubisco跑得更快的一种方式。它被称为pyrenoid。可以把它想象成碳固定的涡轮增压器。

pyrenoid是细胞内的一个小隔间，里面装满了Rubisco，周围是淀粉鞘。在显微镜下，pyrenoid看起来像细胞内的球形泡沫。它的工作是将二氧化碳集中在Rubisco周围，以便Rubisco可以更快地运行。

pyrenoid提供了如此巨大的生长优势，几乎所有海洋中的藻类都有一个。大约三分之一的行星碳固定被认为发生在pyrenoids，但我们几乎不知道这些结构是如何在分子水平上形成的。在研究人员尝试将pyrenoids用于作物之前，需要这样的分子理解，预计这将使作物产量提高多达60％。

该研究小组专注于一个基本的几十年前的谜团：是什么导致Rubisco聚集在pyrenoid的核心？

Jonikas和他的团队发现，在他们的模型藻类Chlamydomonas中，Rubisco的这种聚集是由一种蛋白质介导的，他们称为EPYC1用于必需的Pyrenoid组分1.他们发现EPYC1与Rubisco结合并将其包装到形成pyrenoid内部的蛋白质基质中。更重要的是，在大多数含有pyrenoid的藻类中发现了类似于EPYC1的蛋白质，并且在缺乏这些结构的藻类中没有发现。

“完全了解EPYC1和pyrenoids需要做很多额外的工作，但我们的研究结果是将藻类碳捕获效率设计到作物中的第一步，”Jonikas说。

研究小组还包括卡内基的Luke Mackinder（主要作者），Vivian Chen，Elizabeth Freeman Rosenzweig，Leif Pallesen，Gregory Reeves和Alan Itakura。该项目与剑桥大学的Moritz Meyer，Madeline Mitchell，Oliver Caspari和Howard Griffiths密切合作; 马克斯普朗克分子植物生理学研究所的Tabea Mettler-Altmann，Frederik Sommer，TimoMühlhaus，Michael Schroda和Mark Stitt; 华盛顿大学圣路易斯的Robyn Roth和Ursula Goodenough; 和拜罗伊特大学的Stefan Geimer。