BBSRC-NSF/BIO: Synthetic Biology: Engineering an algal pyrenoid into higher plants to enhance yields

BBSRC-NSF/BIO:合成生物学:将藻类蛋白核改造为高等植物以提高产量

基本信息

  • 批准号:
    1935444
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 75万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-07-01 至 2023-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This project aims to lay the foundations for significant increases in global crop yields by improving the efficiency of carbon uptake in a plant. The research plan involves transferring key components of pyrenoids found in algae, into a plant, Arabidopsis, in order to improve photosynthesis. Pyrenoids are sub-cellular microcompartments that are found in the chloroplast of several algae and are involved in carbon fixation. The project consists of three aims that are each targeted at engineering one of the key components of the pyrenoid into Arabidopsis, and one computational aim that develops a quantitative model of pyrenoid function to support the other three aims. These four aims synergize to produce a minimal, functional pyrenoid in Arabidopsis. The work contributes to meeting the 2050 global food demand with minimal ecological impacts. The project trains high school, undergraduate, graduate and post-doctoral scientists in each of two principal participating laboratories and launches them onto the next stages of their careers. The project team is engaging industry and philanthropic organizations to facilitate translation of advances to crops. The team is sharing their research with the general public through outreach talks to general audiences at venues such as science caf's, through social media such as Twitter, and by improving Wikipedia pages. As a key step towards enhancing crop yields, this project aims to enhance CO2 uptake of the model plant Arabidopsis by engineering it with a minimal synthetic CO2 uptake mechanism derived from components of the pyrenoid from green algae. The project consists of three aims, each targeted at engineering one of the key components of the pyrenoid into Arabidopsis. The research plan involves (a) reconstituting a pyrenoid matrix in higher plants, (b) placing the Rubisco matrix around thylakoids containing bicarbonate transporters and (c) placing the pyrenoidal carbonic anhydrase into the thylakoid lumen. Computational methods are used throughout the project to develop a quantitative model of pyrenoid function that would drive further investigations. To support the plant engineering efforts, the investigators perform targeted research in algae and in vitro. The project benefits from an outstanding international team with a strong track record of collaboration in advancing both basic knowledge of the pyrenoid and the ability to engineer algal components into higher plants.This collaborative US/UK project is supported by the US National Science Foundation and the UKRI Biotechnology and Biological Sciences Research Council.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
该项目旨在通过提高植物碳吸收效率,为全球农作物产量的大幅增加奠定基础。该研究计划涉及将藻类中发现的类核蛋白的关键成分转移到拟南芥植物中,以改善光合作用。类核蛋白是在几种藻类的叶绿体中发现的亚细胞微区室,参与碳固定。该项目包含三个目标,每个目标都旨在将类核蛋白的关键成分之一工程化到拟南芥中,以及一个计算目标,即开发类核蛋白功能的定量模型以支持其他三个目标。这四个目标协同作用,在拟南芥中产生最小的、功能性的蛋白核。这项工作有助于以最小的生态影响满足 2050 年的全球粮食需求。该项目在两个主要参与实验室中分别培训高中生、本科生、研究生和博士后科学家,并将他们带入职业生涯的下一个阶段。该项目团队正在与行业和慈善组织合作,以促进将先进成果转化为农作物。该团队正在通过在科学咖啡馆等场所向普通观众进行外展演讲、通过 Twitter 等社交媒体以及改进维基百科页面来与公众分享他们的研究成果。作为提高作物产量的关键一步,该项目旨在通过采用源自绿藻类蛋白核成分的最小合成二氧化碳吸收机制来改造模式植物拟南芥,以增强其对二氧化碳的吸收。该项目由三个目标组成,每个目标都是将蛋白核的关键成分之一工程化到拟南芥中。该研究计划包括(a)在高等植物中重建蛋白核基质,(b)将 Rubisco 基质放置在含有碳酸氢盐转运蛋白的类囊体周围,以及(c)将蛋白核碳酸酐酶放入类囊体腔中。整个项目使用计算方法来开发核函数的定量模型,以推动进一步的研究。为了支持植物工程工作,研究人员在藻类和体外进行了有针对性的研究。该项目受益于一支杰出的国际团队,他们在推进类核蛋白的基础知识和将藻类成分工程化为高等植物的能力方面拥有良好的合作记录。该美国/英国合作项目得到了美国国家科学基金会和美国国家科学基金会的支持UKRI 生物技术和生物科学研究理事会。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
The Pyrenoid
核糖体
  • DOI:
    10.1016/j.cub.2020.02.051
  • 发表时间:
    2020-05
  • 期刊:
  • 影响因子:
    9.2
  • 作者:
    Wang, Lianyong;Jonikas, Martin
  • 通讯作者:
    Jonikas, Martin
The structural basis of Rubisco phase separation in the pyrenoid
核糖核中 Rubisco 相分离的结构基础
  • DOI:
    10.1038/s41477-020-00811-y
  • 发表时间:
    2020-12
  • 期刊:
  • 影响因子:
    18
  • 作者:
    He S;Chou HT;Matthies D;Wunder T;Meyer MT;Atkinson N;Martinez-Sanchez A;Jeffrey PD;Port SA;Patena W;He G;Chen VK;Hughson FM;McCormick AJ;Mueller-Cajar O;Engel BD;Yu Z;Jonikas MC
  • 通讯作者:
    Jonikas MC
Assembly of the algal CO 2 -fixing organelle, the pyrenoid, is guided by a Rubisco-binding motif
藻类固定 CO 2 的细胞器(蛋白核)的组装由 Rubisco 结合基序引导
  • DOI:
    10.1126/sciadv.abd2408
  • 发表时间:
    2020-11
  • 期刊:
  • 影响因子:
    13.6
  • 作者:
    Meyer, Moritz T.;Itakura, Alan K.;Patena, Weronika;Wang, Lianyong;He, Shan;Emrich;Lau, Chun S.;Yates, Gary;Mackinder, Luke C.;Jonikas, Martin C.
  • 通讯作者:
    Jonikas, Martin C.
Modelling the pyrenoid-based CO2-concentrating mechanism provides insights into its operating principles and a roadmap for its engineering into crops
对基于核糖核的二氧化碳浓缩机制进行建模,可以深入了解其工作原理,并为其在作物中的工程化提供路线图
  • DOI:
    10.1038/s41477-022-01153-7
  • 发表时间:
    2022-05
  • 期刊:
  • 影响因子:
    18
  • 作者:
    Fei, Chenyi;Wilson, Alexandra T.;Mangan, Niall M.;Wingreen, Ned S.;Jonikas, Martin C.
  • 通讯作者:
    Jonikas, Martin C.
Prospects for Engineering Biophysical CO2 Concentrating Mechanisms into Land Plants to Enhance Yields
将生物物理二氧化碳浓缩机制工程化到陆地植物中以提高产量的前景
  • DOI:
    10.1146/annurev-arplant-081519-040100
  • 发表时间:
    2020-04-29
  • 期刊:
  • 影响因子:
    23.9
  • 作者:
    Hennacy JH;Jonikas MC
  • 通讯作者:
    Jonikas MC
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  • 资助金额:
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