一些植物卓越的光合作用能力可能为发展气候适应型作物提供关键。

一些植物卓越的光合作用能力可能为发展气候适应型作物提供关键。

萨尔克科学家发现某些植物物种如何进化出更高效的光合作用方法；研究结果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

拉霍亚——30多亿年前，在当时完全被水覆盖的地球上，光合作用首次出现在古老的小细菌中。在接下来的数百万年里，这些细菌演变成了植物，并在此过程中不断优化自身以适应各种环境变化。大约在3000万年前，一种更新、更好的光合作用方式的出现，标志着这一演化的一个重要阶段。水稻等植物继续使用一种称为C3的光合作用旧方式，而玉米和高粱等植物则开发出了一种更新、更高效的版本，称为C4。.

如今，C4植物已超过8000种，它们在炎热干燥的气候中生长得尤为出色，并且是世界上最高产的作物。然而，绝大多数植物仍然采用C3光合作用。那么C4植物是如何产生的，C3植物将来能否获得类似的“升级”呢？

现在，索尔克科学家和剑桥大学的合作者们首次发现，高粱等C4植物在进化过程中提高光合作用效率所必需的一个关键步骤——以及我们如何利用这些信息来提高水稻、小麦和大豆等作物的产量，并增强它们应对气候变暖的能力。.

研究结果发表在 自然 2024年11月20日。.

“研究C3和C4植物的区别不仅在基础生物学角度很重要，能让我们了解某物为何演化以及它在分子层面的功能，同时，”教授说。 约瑟夫·埃克尔, 该研究的资深作者，Salk 国际遗传学理事会主席，霍华德休斯医学研究所研究员。“回答这个问题是朝着了解如何在气候变化和不断增长的全球人口面前培育出最健壮、最高产作物迈出的巨大一步。”

大约95%%的植物使用C3光合作用，其中叶肉细胞——生活在叶片内部的绿色海绵状细胞——将光、水和二氧化碳转化为植物所需的糖分。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，植物会意外地将氧气误用为二氧化碳，并需要进行回收，这会减慢过程并浪费能量；2)叶片表面的气孔在等待二氧化碳进入时会过于频繁地打开，导致植物失水，更容易受到干旱和高温的影响。.

幸运的是，进化通过C4光合作用解决了这些问题。C4植物会招募通常用作叶脉支撑的维管束鞘细胞，使其与叶肉细胞一起进行光合作用。结果是，C4植物消除了那些氧气利用错误，以节省能量，并使植物表面的气孔更频繁地关闭以节约水分。其效率比C3植物提高%。.

但在分子层面，是什么使C3植物进化为C4植物？科学家们能否促使C3作物进化为C4作物？

为了回答这些问题，萨克研究所的科学家们采用了尖端的单细胞基因组学技术，研究了C3水稻和C4高粱之间的差异。虽然以前的方法不够精确，无法区分相邻细胞（如叶肉细胞和维管束鞘细胞），但单细胞基因组学技术使研究小组能够调查这两种植物中每种细胞类型的遗传和结构变化。.

"令我们感到吃惊和兴奋的是，C3植物和C4植物之间的区别并非在于特定基因的移除或添加，”Ecker说。“相反，这种区别存在于调控层面，从长远来看，这可能让我们更容易在C3作物中开启更高效的C4光合作用。”

生物体内的所有细胞都含有相同的基因，但在任何特定时间表达哪些基因则决定了每个细胞的身份和功能。转录因子可以通过其活性来改变基因表达。这些蛋白质识别并结合基因附近的称为调控元件的短DNA片段。一旦定位在调控元件上，转录因子就可以帮助开启或关闭附近的基因。“

在测量水稻和高粱植株的基因表达时，科学家们发现一个通常被称为DOF的转录因子家族在两种物种中都负责开启形成维管束鞘细胞的基因。他们还注意到DOF在两种物种中都结合到相同的调控元件上。然而，在高粱C4植株中，这个调控元件不仅与维管束鞘同一性基因相关，还开启了光合作用基因。这表明C4植物在某个时候将祖传的维管束鞘基因调控元件附加到了光合作用基因上，以便DOF能够同时开启这两组基因。这就解释了C4植物中的维管束鞘细胞是如何获得光合作用能力的。.

这些实验表明，C3 和 C4 植物都包含 C4 光合作用过程所需的基因和转录因子，这对希望将 C3 植物转变为 C4 光合作用的科学家来说是一个有希望的发现。.

“现在我们有了这份蓝图，可以了解不同的植物如何在不同环境中利用太阳能生存，”这项研究的共同第一作者、Ecker 实验室的博士后研究员 Joseph Swift 说道。“最终目标是尝试开启 C4 光合作用，从而为未来培育更具生产力和韧性的作物。”

下一步团队将研究水稻是否可以通过工程技术实现C4光合作用而非C3光合作用。这仍然是一个非常长期的目标，存在重大技术挑战，目前正由一个名为“C4水稻项目.。更直接的是，这些发现将为 萨尔克植物能量利用计划’其使命是培育优化的作物，以同时对抗并抵御气候变化的威胁。.

他们单细胞基因组学数据也已作为一项资源共享给全球科学家，并迅速引起了人们对解答这一长期存在的进化之谜的兴奋。.

其他作者包括来自索尔克研究所的 Travis Lee 和 Joseph Nery，以及来自英国剑桥大学的 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、生物技术与生物科学研究理事会、C4水稻项目、比尔和梅琳达·盖茨基金会、生命科学研究基金会、赫歇尔·史密斯奖学金以及欧洲分子生物学组织的资助。.

DOI: 10.1038/s41586-024-08204-3