PNAS破解光合作用的一個秘密

　　在白天，植物利用光合作用——一個復雜的、多階段的生化過程，將太陽的能量轉化為糖。最近，一個研究小組——包括卡耐基科學研究所的Mark Heinnickel、Wenqiang Yang和Arthur Grossman帶領的一項新研究，發現了對于光合器裝配所必需的一種蛋白質，可以幫助我們追溯到地球上生命的早期階段，理解光合作用的歷史，當時大氣中的氧并不豐富。他們的這項研究結果發表在最近的《PNAS》雜志。

　　光合作用是有階段性地發生的。在“第一階段”，光被吸收并用于產生能量分子，與氧氣一起作為副產品。然后，這些能量分子，被用來為光合作用的“第二階段”提供動力，在這個階段，空氣中的二氧化碳被固定在碳基的糖中，如葡萄糖和蔗糖。

　　利用綠藻Chlamydomonas，該研究小組——其中還包括斯坦福大學的研究生Rick Kim和Tyler Wittkopp、賓夕法尼亞州立大學的Karim Walters、懷俄明大學的客座教授Stephen Herbert，重點研究一個蛋白質——CGL71。已知它參與裝配一系列蛋白質，這些蛋白質在光合作用的第一階段構成了光合器的一部分，將陽光轉化為能量分子，以給第二階段提供動力，也有一個氧氣副產物。但是直到現在，關于CGL71在裝配過程中的作用，還知之甚少。

　　該小組明確的是，CGL71的至少一方面工作是在裝配過程中保護光合器防御氧。沒錯，就是防御氧氣。你看，光合作用是在30億年前首先從細菌中進化出來的，當時地球大氣中的氧氣很少。當然，隨著光合細菌在遠古地球上越來越多，大氣發生了變化，最終產生了我們今天呼吸的富含氧氣的空氣。

　　氧是一種非常活潑的分子，可以破壞含鐵和硫的蛋白質集群，這些蛋白質對于光合作用至關重要。就像CGL71一樣，這些蛋白質集群對于光合作用的第一階段非常重要，在這個階段它們移動電子以產生能量分子。正如氧可以使鐵生銹一樣，它可以破壞光合器的鐵和硫蛋白。

　　所以隨著氧氣在地球大氣中的累積，光合機制需要防御自己的這些副產品，CGL71是逐漸進化出來的一個組成部分，使光合器能夠在這些新的條件下保持穩定。

　　Grossman說：“當我們研究這個關鍵的組件蛋白CGL71時，好像我們倒回到了過去的時代，當時光合器已逐步調整到適應我們這個星球不斷變化的大氣條件。”

　　作為植物的一個重要機制，光合作用一直是植物學家們研究的重點。我們知道，植物通過光合作用過程，吸收二氧化碳，利用陽光分解水，釋放氧氣。然而，我們對于“在光合作用過程中植物如何制造氧氣”的機制，卻知之甚少。2014年10月，美國路易斯安那州立大學（LSU）科學家所取得的一項突破性進展，將有助于推進我們對于這一關鍵生態過程的理解。相關研究結果發表在《PNAS》雜志。去年11月份，國際權威學術刊物《自然?遺傳學》在線發表了福建農林大學明瑞光教授團隊的研究成果“菠蘿基因組與景天酸代謝光合作用的演化”。該項研究在全世界首次破譯菠蘿基因組的基礎上，首次闡明了菠蘿中的景天酸光合作用基因是通過改變調控序列演化而來，并且受晝夜節律基因的調控，從而找到景天酸代謝植物的“光合開關”。這是國內破譯的首個熱帶植物基因組。