全 文 ：植物生理学通讯 第 40 卷 第 5期，2004 年 10 月 633
Rubisco活化酶的分子生物学
张国 王玮 邹琦*
山东农业大学生命科学学院，泰安 271018
Molecular Biology of Rubisco Activase
ZHANG Guo, WANG Wei, ZOU Qi*
College of Life Sciences, Shandong Agricultural University, Taian 271018
提要 Rubisco 活化酶是广泛存在于光合生物中、调节 Rubisco 活性的酶，Rubisco 活化酶同时具有活化 Rubisco 和催化 ATP
水解的作用。它依赖 ATP 水解，促使 RuBP 或其它磷酸糖类从 Rubisco 上解离下来，以恢复 Rubisco 的活性。该文介绍
Rubisco 活化酶的分子特性、作用机制、光合作用调节及基因工程的最新研究进展。
关键词 Rubisco 活化酶；Rubisco；光合作用；ATP；基因工程
收稿 2004-01-19 修定 　 2004-05-08
资助　 国家重点基础研究发展规划项目(G1998010100)。
* 通讯作者(E-mail:zouqi@sdau.edu.cn,Tel:0538-8241581)。
1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶 (ribulose-
1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase, Rubisco)
是所有光合生物进行光合碳同化的关键酶，它催
化 RuBP 的羧化和加氧反应，并调节二者之间的
关系，这两个反应的比值决定了植物的碳同化效
率。已有研究表明，虽然Rubisco 含量约占叶片
可溶性蛋白的一半[1]，但它的催化效率却很低。
近年来的研究证明，钝化态Rubisco 必须经过另
一种酶的活化才能表现出其羧化/加氧活性，这种
酶就是Rubisco活化酶(Rubisco activase，RCA)。
Rubisco 的活化是决定叶片碳同化效率的关键因
子，因此 R C A 的生理、生化和分子生物学的研
究也成为近年来光合作用研究的重要领域之一。
自从 Salvucci等[2]发现RCA以来，人们采用
RCA 抗体研究发现，RCA 普遍存在于高等植物(包
括 C3 和 C4 植物)、绿藻、部分蓝细菌和古细菌之
中，这说明依赖于 RCA 的 Rubisco 活性调节机制
广泛存在于光合生物中，为体内Rubisco 的活化
机制研究展现了良好的前景。国内唐如航和李立
人[3]、韩鹰等[4]曾分别对 RCA 的研究作过综述，
但近年来对它的研究特别在分子生物学方面进展
很快，为此，我们着重就近几年Rubisco 活化酶
的分子生物学的研究进展作些介绍。
1 Rubisco活化酶的分子特性
RCA 是一种核编码的可溶性叶绿体蛋白，具
有ATPase活性。RCA通常由a(45 kD)、b(41 kD)
两种亚基组成，但不同植物亚基的种类和数量不
同，如拟南芥、菠菜[5]、大麦[6]、水稻[7 ]、棉
花[8]、小麦[9]等植物 RCA 均含有 a、b 两种亚基，
而有些植物如烟草[ 1 0 ] 、玉米[ 1 1 ] 和衣藻[ 1 2 ]
(Chlamydomonas reinhardtii)则仅含一种b亚基。但
无论同种植物或不同种植物的亚基之间，其抗体
都能发生交叉反应。
Shen和 Ogren[13]报道了菠菜RCA氨基酸序列
和二级结构，RCA 前体多肽的N端含有 58 个氨基
酸的转运肽，当前体肽跨膜运输到叶绿体后，转
运肽立即在Ser和Thr丰富的区域被切除，形成成
熟的亚基，它有2个 ATP结合部位。对菠菜的RCA
定点突变发现，Glu取代Gln109位点的突变，导致
b亚基活化Rubisco 的活性上升而ATPase 活性下
降，说明RCA活化 Rubisco的活性和ATPase活性
并非紧密偶联；用 Asp 替换 Gln109 也能增加活化
Rubisco的活性，但用其它氨基酸替换则导致活性
下降，说明酸性残基(如Glu和Asp)在这一位点上
能增加活化Rubisco的活性[13,14]。
RCA 本身虽然不是 ATPase，但具有 ATPase
活性。这是因为RCA的两种亚基结构均含“P-环”序
列(phosphate-binding loop，G-X-X-X-X-G-K-S/
T)，P- 环是许多ATPase 具有的核苷酸结合序列，
它能维持酶和 ATP 上的 a-、b- 和 g- 磷酸基团形
成的氢键，稳定 ATP 水解过程的中间状态，因此
RCA活化Rubisco依赖于ATP而为ADP抑制 [15]。在
菠菜 RCA“P- 环”处对 Lys169 进行定点诱变，得
到的突变体与 A T P 的结合能力不及野生型的
植物生理学通讯 第 40 卷 第 5期，2004 年 10 月634
50%，结果是突变体 RCA 的总活性下降，这说明
Lys169 对于维持RCA活性具有重要作用；菠菜RCA
N端的 Trp11 和随后的Lys 残基缺失时，活性几乎
完全丧失，这些残基定位在酶的表面，RCA 有可
能在这一区域与Rubisco相互作用[14]。
植物体内 RCA 的 a、b 亚基都具活性，但只
有a亚基受硫氧还蛋白f(Trx-f)的调节[16,17]。a亚
基的C-末端具有2个 Cys残基而 b亚基没有，当
2个Cys残基结合形成二硫键(—S—S—)时, ADP
对 a亚基的抑制作用比未形成二硫键时增强。而
Trx-f含有调节氧化还原活性的二硫键/巯基，它
能够还原 a亚基的二硫键：还原态 Trx-f 与 a亚
基中二硫键的一个 Cys 残基形成混和的二硫键，
然后Trx-f活化区域中的另一个巯基进攻这个二硫
键，Trx-f 自身形成二硫键而 a亚基被还原，这
样就减少了 a亚基对 ADP 抑制作用的敏感性，从
而导致 a亚基的活性增加[16~18]。
RCA 只在绿色组织中表达，如苹果的叶[19]、
水稻的叶和茎[20 ]、拟南芥绿色的叶、茎、花和
角果[21]都表达 RCA，但根和黄化苗[21]中均不表
达，这与Rubisco 仅在绿色组织中特异性表达一
致。Martinez 等[22]发现，在高产玉米种群中
Rubisco活性高的原因是由于其RCA蛋白含量高。
Jiang等[23]研究发现超级稻等高产品种(系)有高的
Rubisco 和 RCA 活性，这说明作物产量与 RCA 的
含量和活性有一定的相关性。
2 Rubisco活化酶对Rubisco的活化
目前，关于RCA 如何活化Rubisco 的详细机
制尚不清楚， Portis[24]、 Salvucci 和 Loo[25]、
Jensen[26]曾分别提出过不同的模型对此进行解释，
其中以Jensen的模型更为详尽和具体。图1便是
Jensen等提出的RCA 作用模式：图中上部的方框
表示Rubisco，下部的圆饼和带缺口的正方形分别
代表钝化态和活化态的 RC A。
已知 CO2 除了作为 Rubisco 的底物之外，还
具有Rubisco激活剂的功能。Rubisco只有先与作
为激活剂的CO2形成氨甲酰化Rubisco后，才能催
化羧化/加氧反应；此外，Rubisco在与另一个底
物 RuBP 结合之前，还必须与 Mg2+ 结合，才能被
完全活化(图 1 步骤 1)。该反应还可以自发地逆
转，即氨甲酰化的Rubisco 能自发脱掉CO2(去氨
甲酰化)和 Mg2+，重新转变为非活化态(步骤 2)。
然而，问题在于非活化态的 Rubisco 还能够与
RuBP 结合，改变其构象，形成钝化态的终端复
合物(步骤 3)，这种复合物即不能再被CO2 和 Mg2+
所活化。RCA 的作用在于与这种钝化的终端复合
体结合(步骤5) ，改变其构象，使Rubisco与RuBP
的结合变松弛(步骤 6)，并将 RuBP 从 Rubisco 活
化区域解离下来(步骤 7)，空出 Rubisco中的 CO2
和 Mg2+ 结合位点，RCA 则转变为非活化状态(步
骤 8)。这样，Rubisco 便可以重新被 CO2 和 Mg2+
激活，催化 RuBP 的羧化/加氧反应(步骤 1)。至
于 RCA 本身的活化，则需要与 ATP 的水解相偶
联，以提供变构所需的能量(步骤4)，这就是RCA
自身具有 ATPa se 活性的原因。也正因为如此，
RCA 的活性与叶绿体的能荷有密切关系，当叶片
从黑暗中转移到光照下以后，随着光合磷酸化的
进行和 ATP 的增加，RCA 和 Rubisco 活性有一个
逐渐诱导提高的过程。
Crafts-Brandner和 Salvucci[27]指出高温下
Rubisco失活速率加快发生在步骤2、3， ATP 水
解(步骤4)和(或)RCA与钝化态复合体相互作用(步
骤5和6)而影响Rubisco活化的速率。叶细胞能荷
的变化与Rubisco活性密切相关[28]。缺乏ATP时，
RCA的ATPase活性和活化Rubisco活性均丧失[29]，
这表明催化ATP 的水解是RCA 的一个不可缺少的
重要性质。ATP 水解发生的具体过程和意义尚需
进一步研究。
3 Rubisco活化酶、Rubisco与光合作用的关系
不同环境条件特别是逆境条件下，作物的光
图 1 活化酶催化钝化态Rubisco转化成活化态Rubisco[26]
植物生理学通讯 第 40 卷 第 5期，2004 年 10 月 635
合速率常会下降，Rubisco活性下降是引起光合下
降的非气孔因素之一。
3.1 温度和CO2 离体Rubisco保持最高活性的温
度大于 50℃，离体 RCA 的 ATPase 活性最适温为
42℃，但叶内Rubisco 活性在叶温超过35℃时就
会下降。Crafts-Brandner和Salvucci[27]研究认为温
度升高到 35~40℃，Rubis co 活性下降是由于
Rubisco 失活的速率超过 RCA 的活化能力，也有
可能是影响了 RCA 和 Rubisco 的结合过程，但决
不是由于RCA的活性下降；当温度达到并超过42℃
时，RCA 的活性下降，并促进 Rubisco 的活性下
降。
RCA 结构发生微小变化就会影响与 Rubisco
的有效结合。当温度升高到 35~40℃时，植物叶
片中RCA 从 Rubisco 活化区域解离出来，亚基之
间相互作用消失，Rubisco活性下降但可以恢复；
Western-blot 分析表明，当温度高于 42℃时，
RCA 展开成单体，这些单体自身或与其它叶绿体
蛋白结合成高分子量的不可溶的聚合体，这时
Rubisco的活性下降加速且不能逆转；豌豆和菠菜
拟南芥2种亚基热稳定性和聚集方式相同[30]。
Crafts-Brandner和Salvucci[27]认为高浓度CO2
下，体内Rubisco活性下降原因不是由于其自身失
活速率的增加，而是 CO2 浓度增高会导致 ATP 消
耗增加、能荷下降，从而引起 RCA 的活性下降。
已有实验业已证明，体外 Rubisco 和 RCA 的活性
都受温度的影响，但不受 C O 2 浓度的影响。
小麦叶片经38℃热胁迫后，RCA 的表达量明
显减少[31]，经 24 h 缓解后，42 kD 亚基数量增
加，同时诱导产生一种新的41 kD 亚基。尽管C4
植物光合的最适温度比C3 植物高，但玉米在叶温
升高超过38℃时的反应与小麦相同[9]。许多植物
在热胁迫下会产生新的 R C A 亚基，它和组成型
RCA 亚基的增加同时发生，这有可能是光合碳同
化的一种适应机制。
早期报道都支持 R C A 是一种分子伴侣
(molecular chaperone)的看法，但后来又遭到反
对。不过，R C A 虽然不能修复在体内热变性的
Rubisco，但它的许多特征(包括序列同源性、热
胁迫导致原有亚基增加和诱导新亚基的产生等)[9]都
与分子伴侣相同。
3.2 光 光调节既有外部因子又有内部因子的影响，
光照度是一个重要的生态因子，Rubisco初始活性
是影响光合速率的生理因子。
王焘等[32]根据小麦光合日变化过程中Rubisco
活性的变化规律，认为光合午休过程中，小麦光
合磷酸化受阻而使 ATP 供应减少，能荷降低，从
而抑制RCA 对 Rubisco的活化作用。翁晓燕等[33]
认为RCA对Rubisco初始活性的调节主要发生在每
天早晚及光暗转换的初期，此时钝化态Rubisco比
较多。苹果、番茄、大麦和拟南芥中 R C A 都有
明显的昼夜节奏。
Rubisco 的光调节是通过 RCA 起作用的。唐
如航等[20 ]的实验表明，就基因转录受光诱导而
言，RC A 基因比 Rub i s c o 大小亚基基因敏感。
Zhang等[16,17]和Motohashi等[18]的实验结果表明，
光照度可能通过调节基质的氧化还原势，改变
Trx-f 对 a亚基的调节作用，从而影响 RCA 的活
性及Rubisco 的活性。但在只有 b亚基的烟草中
Rubisco也受光调节，这可能是其他蛋白参与的结
果。
4 Rubisco活化酶的基因工程
活化酶基因工程的工作已经较深入，rca 基
因分离、表达、转化等主要工作都已经开展。现
在人们已经克隆了菠菜、拟南芥[5]、大麦[6]、玉
米、水稻[7]、棉花[8]等植物 rca 基因的 cDNA，并
对转基因(主要是反义转化)植株的生理生化性状进
行了研究。
通过克隆不同植物的 rca 基因，人们认识到
rca基因拷贝数和表达的复杂性(图2)。现在发现
高等植物的 rca 基因表达方式主要有：(1)烟草、
玉米[9]和衣藻 [10]等的rca基因只表达b亚基，如烟
草至少有3个独立rca基因都表达b亚基[10]。 (2)菠
菜、拟南芥和水稻等由1个rca基因通过可变剪接
编码2个亚基，但剪接方式不同。 (3)大麦和棉花
等有2个 rca基因编码 a、b两个亚基。大麦有前
后衔接2条基因：rcaA和 rcaB，rcaA基因通过可
变剪接方式形成 a和 b亚基；而rcaB基因直接表
达 b亚基，rcaB 位于 rcaA 的上游 1 000 bp 处，
表达数量低且只在光合作用相对低部位表达；棉
花RCA有2个独立基因分别编码a和b亚基[6]。另
外，小麦[9]、玉米[11]、菠菜[31]和棉花[34]等在热胁
迫下也会产生新的 RC A 亚基。
Zhang 等[17]分别将 RCA 的 a亚基或 b亚基基
植物生理学通讯 第 40 卷 第 5期，2004 年 10 月636
因转入拟南芥突变体(rca)的结果表明，只转 b亚
基或定点突变的a亚基(1个或2个Cys被Ala代替)
时，Rubisco 不受光调节，转 a亚基或两者都转
的植株则受光调节，这证明Rubisco的光调节是基
于RCA的 a亚基受到氧化调节。拟南芥、烟草[35]、
大豆[36]的转反义rca植株，RCA水平和Rubisco活
性均下降，同时光合作用减弱，而且烟草转反义
rca基因在热胁迫(42℃)下与未经热胁迫的比较，
野生型光合作用几乎完全能恢复，而转基因植株
则恢复很少[18]。
5 结束语
RC A 的研究工作已取得重大进展，一方面，
rca基因克隆和表达、蛋白提纯和活性测定在一些
植物中取得成功；另一方面，RuBP 等磷酸糖和
RCA 与 Rubisco 的相互作用及环境因素对 RCA 活
性影响的研究已相当深入。但仍有许多相关问题
亟需解决：(1)rca基因的可变剪接和表达两个亚基
的生物学意义何在？(2)体内Rubisco和 RCA相互
作用机制及与ATP水解的关系如何？(3)环境因素
影响Rubisco 和 RCA 的机制等等。这些问题的研
究都有助于我们更清楚地了解 RCA 的作用机制，
为更快提高Rubisco 效率提供新的方法和策略。
参考文献
1 Makino A, Mae T, Ohira K. Purification and storage of
ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase from rice leaves.Plant
Cell Physiol,1983,24:1169~1173
2 Salvucci ME, Portis AR Jr, Ogren WL. A soluble chloroplast
protein catalyzes ribulose bisphosphate carboxylase/oxyge-
nase activation in vivo. Photosynth Res,1985,7:193~201
3 唐如航,李立人.Rubisco 活化酶的研究进展.生命科学,
1998，10(4):159~166
4 韩鹰,陈刚.王忠.Rubisco活化酶的研究进展. 植物学通报,
2000,17(4):306~311
5 Werneke JK, Chatfield JM, Ogren WL. Alternative mRNA
splicing generates the two ribulose bisphosphate carboxy-
lase/oxygenase activase.Plant Cell,1989,1:815~825
6 Rundle SJ, Zielinski RE. Organization and expression of two
tandemly oriented genes encoding ribulose bisphosphate car-
boxylase/oxygenase activase in barley. J Biol Chem,1991,
266: 4677~4685
7 To KY, Suen DF, Chen SC. Molecular characterization of
ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase activase in rice
leaves. Planta,1999,209:66~76
8 Salvucci ME, Van de loo FJ. Two isoforms of Rubisco activase
in cotton, the products of separate genes not alternative
splicing. Planta,2003,216:736~744
9 Law RD, Crafts-Brandner SJ. High temperature stress in-
creases the expression of wheat leaf ribulose bisphosphate
carboxylase/oxygenase activase protein. Arch Biochem
Biophys, 2001, 386(2):261~267
10 Qian J, Rodermel SR. Ribulose-1,5- bisphosphate carboxy-
lase/oxygenase activase cDNAs from Nicotiana tabacum.
Plant Physiol,1993,102:683~684
11 Crafts-Brandner SJ, Salvucci ME. Sensitivity of photosyn-
thesis in a C4 plant, maize, to heat stress. Plant Physiol,2002,129:
1773~1780
12 Roesler KR, Ogren WL. Primary structure of Chlamydomo-
nas reinhardtii Rubisco activase and evidence for a single
polypeptide. Plant Physiol,1990,94:1837~1841
13 Shen JB, Ogren WL. Alteration of spinach ribulose-1,5-
bisphosphate carboxylase/oxygenase activity in response to
changing partial pressure O2 and light in Phaseolus vulgaris.
Plant Physiol,1992,99:1201~1207
14 Esau BD, Snyder GW, Portis AR Jr. Differential effects of N-
and C-terminal deletions on two activities of Rubisco activase.
Arch Biochem Biophys, 1996,326(1):100~105
15 Kallis RP, Ewy RG, Portis AR Jr. Alteration of the adenine
nucleotide response and increased Rubisco activation activity
图 2 几种植物rca mRNA前体的不同剪接方式[7]
下面画横线的字母为终止密码子,剪去的序列用斜体字表示，符号“/”表示剪接位置。水稻前体 mRN A 在 1~ 4 之间剪接形
成 rcaI mRNA，在 1~2 和 3~4 剪接形成 rcaII mRNA；大麦、菠菜、拟南芥都是在 1~3 和 2~3 分别剪接形成 2 个亚基；棉花
由 2 个基因分别编码 2 个亚基。
植物生理学通讯 第 40 卷 第 5期，2004 年 10 月 637
of Arabidopsis Rubisco activase by sited-directed mutagenesis.
Plant Physiol,2000,123:1077~1086
16 Zhang N, Portis AR Jr. Mechanism of light regulation of
Rubisco: a specific role for the larger Rubisco activase isoform
involving reductive activation by thioredoxin-f. Plant Biol,
1999,96:9438~9443
17 Zhang N, Kallis RP，Portis AR Jr et al. Light modulation
of Rubisco in Arabidopsis requires a capacity for redox
regulation of the larger Rubisco activase isoform. Proc Natl
Acad Sci USA,2002,99:3330~3334
18 Motohashi K, Kondoh A,Stumpp MT et al. Comprehensive
survey of proteins targeted by chloroplast thioredoxin. Proc
Natl Acad Sci USA,2001,98(20):11224~11229
19 Watillon B,Kettmann R,Boxus P et al. Developmental and
circadian pattern of Rubisco activase mRNA accumulation
in apple plants. Plant Mol Biol,1993,23:501~509
20 唐如航,贾军伟,李立人. 光和糖对水稻Rubisco活化酶基因表
达的影响.植物生理学报,1997,23(4):337~341
21 Liu Z, Taub CC,Mcclung CR. Identification of an Arabidopsis
thaliana ribulose-1,5-bisphosphate /carboxylase activase mini-
mal promoter regulated by light and the circadian clock.
Plant Physiol,1996,112:43~51
22 Martinez BE, Mollina GJ, Sanchez JE. Regulation of rubisco
activity during grain-fill in maize: possible of role rubisco
activase. J Agr Sci,1997,128:155~161
23 Jiang DA, Lu Q, Weng XY et al. Role of key enzymes for
photosynthesis in the diurnal of photosynthetic rate in rice.
Acta Agron Sin, 2001,27(3):301~307
24 Portis AR Jr. The regulation of Rubisco by Rubisco activase.
J Exp Bot,1995, 46:1285~1291
25 Salvucci ME，Loo FJ .The mechanism of Rubisco activase:
insight from studies of the properties and structure of the
enzyme. Photosynth Res,1996,47:1~11
26 Jensen RG. Activation of Rubisco regulation photosynthesis
at high temperature and CO2.Proc Natl Acad Sci USA,2000,
97(24):12937~12938
27 Crafts-Brandner SJ, Salvucci ME. Rubisco activase constrains
the photosynthetic of leaves at high temperature and CO2.
Proc Natl Acad Sci USA,2000,97(24):13430~13435
28 Portis AR Jr. Regulation of ribulose-1,5-bisphosphate car-
boxylase/oxygenase activity. Ann Rev Plant Physiol Plant
Mol Biol,1992,43:415~437
29 唐如航,贾军伟,李立人. 烟草Rubisco活化酶的纯化和及其特
征.植物生理学报,1997,23:89~94
30 Rockville MD. Exceptional sensitivity of Rubisco activase
to thermal denaturation in vitro and vivo. Plant Physiol,
2001,127(3):1053~1064
31 Rokka A, Zhang L, Aro E-M. Rubisco activase: an enzyme
with a temperature-dependent dual function? Plant J,2001,
25(4):463~471
32 王焘,郑国生,邹琦. 小麦光合午休过程中Rubisco活性的变
化. 植物生理学通讯,1996,32(4):257~260
33 翁晓燕,路庆,蒋德安. 水稻转绿型白化体突变系W25转绿过
程中Rubisco和Rubisco活化酶活性与光合速率的变化.植物
生理学报,2000,26(3):213~218
34 Law RD, Crafts-Brandner SJ, Salvucci ME. Heat stress in-
duces the synthesis of a new form of ribulose-1,5-
bisphosphate carboxylase/oxygenase activase in cotton
leaves. Planta, 2001, 214:117~125
35 Sharkey TD, Badger MR, Andrews TJ et al. Increased heat
sensitivity of photosynthesis in tobacco plants with reduced
Rubisco activase. Photosynth Res,2001,67:147~156
36 Jiang CZ, Quick WP, Alred R. Antisense RNA inhibition of
Rubisco activase expression. Plant J,1994,5:787~789