牻牛儿牻牛儿基焦磷酸合酶（GGPPS）是植物萜类物质合成的关键蛋白酶，其酶活性决定各个分支萜类物质的含量。NtGGPPS1是烟草NtGGPPS最重要的家族成员，纯合ntggpps1突变体叶面积及株高显著降低，八氢番茄红素、β-胡萝卜素、叶黄素、新黄质、紫黄质和花药黄质均显著减少。

该研究将NtGGPPS1酶与底物进行对接，确定酶活口袋周围的16个氨基酸位点（图a），构建单点饱和突变体库。通过高通量的细菌颜色实验进行筛选，获得5个可以显著提升酶活性的氨基酸位点，进一步对以上位点进行迭代组合突变获得酶活性最高的5突变体d-NtGGPPS1 (V154A/I161L/F218Y/I209S/V233E)（图b）。相对于NtGGPPS1，理性设计的d-NtGGPPS1可以将底物IPP和共同底物DMAPP转化为GGPP的效率提高约1995.5倍，能够将GPP或FPP转化产生GGPP的效率提高约25.9或16.7倍（图c）。

2021年6月24日，该研究成果以“Rational Design of Geranylgeranyl Diphosphate Synthase Enhances Carotenoid Production and Improves Photosynthetic Efficiency in Nicotiana tabacum”为题，发表在Science Bulletin杂志上。

理性设计的d-NtGGPPS1能够促进烟草的生长，提升色素含量及光合作用效率