光合作用研究铺平了开发新超级作物之路

诸平

《研发》（R&D）杂志网站2013年10月17日转载了来自英国伦敦帝国学院（ImperialCollege London）的新闻报道，英国剑桥大学（University of Cambridge）植物科学系和伦敦帝国学院数学系的研究人员合作，研究一些植物物种进化形成的超高效光合作用之谜，他们现在已经确认了哪些步骤会导致这种现象。

在所有植物当中大约有3%的植物，它们是以一种高级形式来进行光合作用,使其获得更多的CO₂,而对于水的用量则更少,但是增长速度却更快。总而言之,它们的光合作用更有效,与使用效率低的植物相比较，提高幅度超过50%。

通过数学分析作者发现，植物生理学的一些微小变化,当结合时,让它们长得更快,用水量仅为其他植物用水量的三分之一，但可捕获大气中的CO₂量大约为其他植物捕获量的13倍以上。这些单个的进化优势在一起时，便是最佳优势组合，构成一个可以用来改进光合作用效率低下的关键农作物的优势“配方”。该项目的研究者认为,这些知识可以用来培育超级作物如生长快、耐旱水稻等。领导这项研究的是英国伦敦帝国学院数学系伊恩•约翰斯顿博士（Dr IainJohnston）和剑桥大学植物科学系的植物生物学家本·威廉姆斯博士（Dr. BenWilliams）,他们的研究成果于2013年9月28日已经在《e生活》（eLife）杂志发表——Ben P Williams, Iain G Johnston, Sarah Covshoff, Julian M Hibberd . Phenotypic landscape inference reveals multiple evolutionary paths to C4 photosynthesis. eLife, 2013, 2: e00961.http://dx.doi.org/10.7554/eLife.00961.

陆生植物的光合作用途径有3种:即C3、C4以及景天酸代谢(CAM)。根据光合作用将CO₂被固定后最初形成的化合物中含有碳原子数将植物分为C3植物和C4植物。

C3植物的光合作用是CO₂中的C直接转移到C3(3-磷酸甘油酸)里，如小麦、水稻、大豆等温带植物都是C3植物。C4植物的光合作用是CO₂中的C首先转移到C4(草酰乙酸)里，然后再转移到C3中，如玉米、甘蔗、高粱等热点植物都属于C4植物。C3植物较原始，C4植物较进化，如常见的单子叶植物都属于C4植物。C４植物起源于热带，在强光、高温及干燥的气候条件下，C４植物的光合速率要远大于C3植物。C4植物由于有" CO₂泵"浓缩CO₂的机制，使得BSC中有高浓度的CO₂，从而促进二磷酸核酮糖羧化酶（Rubisco）的羧化反应，降低了光呼吸，且光呼吸释放的CO₂又易被再固定；加之高光强又可推动电子传递与光合磷酸化，产生更多的同化力，以满足C4植物PCA循环对ATP的额外需求。

英国科学家他们将各种不同途径合在一起进行测试，是否可以得到一个新的进化数学模型，可以用来解析演化途径,最终导致先进的光合作用呢？伦敦帝国学院数学系伊恩•约翰斯顿博士说：“我的主要兴趣是在使用数学工具来做一些真正的生物问题和对社会有价值的实质性研究,设计超高效作物的努力是令人鼓舞的,我们发现了导致更有效的光合作用的几个不同的途径，有很多不同的“方案”可供生物学家参考，对其进行模拟来实现这个目的。”

剑桥大学的朱利安·黑博德博士（Dr. Julian Hibberd）也该论文的最后一位作者说道:“这不仅是一个有趣的数学结果,而且可以为生物科学家开发显著提高农作物产量的新品种提供参考,有助于解决世界粮食供应问题。众所周知,条条大道通罗马, 伊恩•约翰斯顿博士和本·威廉姆斯博士已经表明, 植物在进化过程中有很多路线可供选择。对生物学家而言，下一步工作就是要通过简单的实验室植物反映基因变化和生理变化,重建更先进的光合作用的自然进化，并最终目标就是实现水稻改良，开发出超高效光合作用的作物新品种。

更多信息请浏览原文——Phenotypic landscape inference reveals multiple evolutionary paths to C4 photosynthesis.