En internationell forskargrupp med forskare från Cornell University, Boyce Thompson Institute, University of Edinburgh och andra har upptäckt hur hornörter använder ett modifierat protein, RbcS-STAR, för att klumpa ihop det centrala fotosyntesenzymet Rubisco i pyrenoidliknande kompartment. Denna mekanism förbättrar koldioxidupptaget och skulle kunna öka skördeutbyten med upp till 60 procent samtidigt som behovet av vatten och gödselmedel minskar.
Rubisco, eller ribulos-1,5-bisfosfatkarboxylas/oxygenas, är planetens viktigaste enzym för fotosyntes, som fäster koldioxid till sockerarter som driver växttillväxt och utgör grunden i näringskedjan. Det är dock långsamt och benäget att binda syre istället, särskilt i ett uppvärmt klimat, vilket leder till energispill, toxiska biprodukter och hämnad tillväxt. Hornörter, små landväxter som är besläktade med mossor, löser detta med RbcS-STAR, en version av Rubiscos lilla enhet med en extra ”svans” eller segment som fungerar som kardborre eller förankring. Denna modifiering klumpar ihop Rubisco-enzymer i täta kompartment som liknar algernas pyrenoider, vilket koncentrerar CO2 och minimerar syreinslag. ”Rubisco är utan tvekan det viktigaste enzymet på planeten eftersom det är ingången för nästan allt kol i maten vi äter”, säger Fay-Wei Li, biträdande professor vid Boyce Thompson Institute och Cornell University, en av studiens ledare. ”Men det är långsamt och lätt distraherat av syre, vilket slösar energi och begränsar hur effektivt växter kan växa.” Till skillnad från alger, som använder separata proteiner för att klumpa ihop, modifierar hornörter Rubisco självt. ”Vi antog att hornörter skulle använda något liknande vad alger gör – ett separat protein som samlar Rubisco”, säger Tanner Robison, doktorand och en av de främsta författarna. ”Istället upptäckte vi att de har modifierat Rubisco självt för att utföra uppgiften.” Forskargruppen visade RbcS-STAR:s modularitet genom att introducera det i en hornörtart utan naturliga pyrenoider och i Arabidopsis, en modellblommig växt. I båda fallen bildades pyrenoidliknande strukturer – även när bara STAR-svansen fästes vid ursprunglig Rubisco. ”Vi testade till och med att bara fästa STAR-svansen vid Arabidopsiss ursprungliga Rubisco, och det utlöste samma klumpeffekt”, säger Alistair McCormick, professor vid University of Edinburgh och en av studiens ledare. ”Det visar att STAR verkligen är den drivande kraften. Det är ett modulärt verktyg som fungerar över olika växtsystem.” ”Det hindrar Rubisco från att komma i kontakt med syre, eftersom det placerar det i ett hus och sedan pumpar in en massa CO2 i huset”, förklarar Laura Gunn, syntetisk växtbiolog vid Cornell och medförfattare. Forskarna uppskattar att detta skulle kunna öka växttillväxt och skördar med upp till 60 procent, vilket gör att växter kan hålla stomata stängda oftare för att spara vatten. Det kan också minska beroendet av energikrävande syntetiska gödselmedel. Utmaningar kvarstår, inklusive att konstruera effektiv CO2-leverans till klumparna. ”Vi har byggt ett Rubisco-hus, men det blir inte effektivt om vi inte uppdaterar ventilationen”, noterade Gunn. Robert Wilson, biokemist vid MIT, berömde resultaten: ”Det är mycket imponerande... det är en helt ny och novel mekanism genom vilken en viktig aspekt av Rubiscos biokemi sker.” Studien, publicerad i Science 2026, erbjuder en väg för att förbättra fotosyntesen i grödor som vete och ris för hållbart jordbruk mitt i ökande globala livsmedelsbehov.