一些植物的优越光合作用能力可能是作物适应气候的关键

一些植物的优越光合作用能力可能是作物适应气候的关键

索尔克研究所的科学家们发现一些植物物种如何进化出更有效的光合作用方式；这些发现可能有助于提高水稻和小麦等作物对气候变化的适应能力。

3.5亿年前，在完全被水覆盖的地球上，光合作用首先在古老的小细菌中进化而来。在接下来的数百万年里，这些细菌进化成植物，并在进化过程中不断优化自身以适应各种环境变化。大约30万年前，随着一种更新、更好的光合作用方式的出现，这种进化得以结束。虽然水稻等植物继续使用一种称为C3的旧光合作用形式，但玉米和高粱等其他植物则发展出了一种更新、更高效的版本，称为C4。

从左至右：Joseph Ecker 和 Joseph Swift。

目前有8,000多种不同的C4植物，它们在炎热干燥的气候下生长得特别好，是世界上产量最高的作物品种之一。然而，绝大多数植物仍然依靠C3光合作用。那么C4植物是如何产生的？C3植物能否得到类似的更新？

现在，索尔克研究所的科学家和剑桥大学的合作者首次发现了高粱等C4植物进化出如此高效的光合作用所需采取的关键步骤，以及我们如何利用这些信息使水稻、小麦和大豆等作物更高产，并增强其对气候变暖的抵御能力。

研究结果发表在《自然》杂志上。

“探究C3植物和C4植物之间的区别不仅从基本的生物学角度很重要，比如想知道某种东西进化的原因以及它在分子水平上是如何运作的，”索尔克国际遗传学理事会主席、霍华德休斯医学研究所研究员约瑟夫·艾克教授说。“回答这个问题是朝着理解如何在气候变化和全球人口不断增长的情况下种植出最强壮和最高产的农作物迈出的重要一步。”

约95%的植物使用C3光合作用，其中叶肉细胞（生活在叶子内的绿色海绵细胞）将光、水和二氧化碳转化为植物所需的糖。尽管C3光合作用非常普遍，但它有两个主要缺点：1) 20%的时间，氧气被意外地用作二氧化碳，必须循环利用，这会减慢这一过程并浪费能源；2) 叶子表面的毛孔在等待二氧化碳进入时过于频繁地打开，导致植物失水，更容易受到干旱和高温的影响。

C3水稻（左）和C4高粱（右）的横切面。这两种谷物作物都由共同祖先进化而来，但高粱进化得更高效地进行光合作用。

幸运的是，进化已经通过C4光合作用解决了这些问题。C4植物招募束鞘细胞（通常作为叶脉支撑）与叶肉细胞一起进行光合作用。因此，C4植物消除了这些氧气使用错误以节省能量，并更频繁地保持植物表面孔隙关闭以节约水分。与C3植物相比，其效率提高了30%。

但从分子水平上看，是什么让C3植物变成了C4植物？科学家又能否促使C3作物变成C4作物呢？

为了回答这些问题，索尔克研究所的科学家采用了尖端的单细胞基因组学技术来研究C3水稻和C4高粱之间的差异。虽然以前的方法不够精确，无法区分相邻的细胞，如叶肉和束鞘细胞，但单细胞基因组学让研究小组能够研究这两种植物中每种细胞类型的遗传和结构变化。

“我们惊讶又兴奋地发现，C3植物和C4植物之间的差异并不在于特定基因的去除或添加，”Ecker说道。“相反，差异在于调控层面，从长远来看，这可能使我们更容易在C4作物中实现更高效的C3光合作用。”

生物体内的所有细胞都含有相同的基因，但哪些基因在特定时间表达决定了每个细胞的身份和功能。基因表达可以通过转录因子的活性进行修改。这些蛋白质识别并结合基因附近的小片段DNA，称为调控元件。一旦转录因子位于调控元件上，它就可以帮助“打开”或“关闭”附近的基因。

在测量水稻和高粱植物中的基因表达时，科学家发现，一个通常称为DOF的转录因子家族负责启动这两个物种中束鞘细胞的基因。他们还注意到，DOF在两个物种中都与相同的调节元件结合。然而，在C4高粱植物中，这种调节元件不仅与束鞘身份基因相关，而且还启动光合作用基因。这表明C4植物在某个时候将束鞘基因的祖先调节元件附加到光合作用基因上，因此DOF会同时启动两组基因。这可以解释C4植物中的束鞘细胞如何获得光合作用的能力。

这些实验表明，C3植物和C4植物都含有优越的C4光合作用过程所需的必要基因和转录因子——对于希望推动C3植物进行C4光合作用的科学家来说，这是一个有希望的发现。

“现在，我们已经有了不同植物如何利用太阳能在不同环境中生存的蓝图，”这项研究的共同第一作者、埃克实验室的博士后研究员约瑟夫·斯威夫特（Joseph Swift）说道。“最终目标是尝试启动C4光合作用，从而为未来创造更高产、更坚韧的作物。”

该团队的下一个任务是确定是否可以对水稻进行基因改造，使其使用C4光合作用而不是C3。这仍是一个非常长期的目标，面临着重大的技术挑战，目前正在由一项名为“C4水稻项目”更直接的是，研究结果将为索尔克利用植物倡议的使命是创造能够同时对抗和抵御气候变化威胁的优化作物。

他们的单细胞基因组学数据也被共享作为世界各地科学家的资源，并迅速引起了人们对其解答这一长期存在的进化之谜的兴奋。

其他作者包括索尔克研究所的Travis Lee和Joseph Nery，以及英国剑桥大学的Leonie Luginbuehl、Lei Hua、Tina Schreier、Ruth Donald、Susan Stanley、Na Wang和Julian Hibberd。

这项工作得到了霍华德休斯医学研究所、生物技术和生物科学研究委员会、C4赖斯项目、比尔和梅琳达盖茨基金会、生命科学研究基金会、赫歇尔史密斯奖学金和欧洲分子生物学组织的支持。

本文原文来自索尔克研究所