改写百年植物生物学进程的重要发现

由昆士兰农业和食品创新联盟Robert Henry教授带领的一个研究小组，在《Scientific Reports》发表了相关研究结果，表明小麦的光合作用既发生在种子中，也发生在植物的叶片中。这一发现将彻底改变半个世纪以来的植物生物学进程。

　　

生物通报道：最近，澳大利亚昆士兰大学关于光合作用的一项新研究，可能有助于培育出生长更快的小麦作物，更好地适应更炎热、更干燥的气候。

由昆士兰农业和食品创新联盟Robert Henry教授带领的一个研究小组，在《Scientific Reports》发表了相关研究结果，表明小麦的光合作用既发生在种子中，也发生在植物的叶片中。Henry教授说：“这一发现将彻底改变半个世纪以来的植物生物学进程。小麦在地球上的种植覆盖面积，比其他任何作物都多，所以这一发现所带来的影响可能是巨大的。这可能会给目前不能种植小麦的地理区域，带来更好、生长更快、产量更高的小麦作物。”

Henry教授说，这项工作是基于上世纪60年代在布里斯班旧殖民制糖公司的一个生物学发现。他说：“许多人说，这一生物学发现应该获得诺贝尔奖。布里斯班的研究人员当时表明，甘蔗等热带植物已经演化出一条不同的光合途径，有别于85%左右的植物中的光合途径。”

Henry教授说，经典的光合作用途径被称为C3，具有另一种光合作用的植物被称为C4植物。他说：“C4植物捕获碳的速度更快，并且有更高的生长率，特别是在亚热带和热带的环境中。我们的研究表征了小麦种子中存在一条以前未知的C4光合途径——它并不是C4植物。就像大多数植物一样，小麦通过叶片进行光合作用，但我们也发现，在它的种子中也有光合作用。这以前从来没有被报道过，但小麦种子在成熟前是绿色的，它是植株死亡的最后一部分。”

Henry教授说，光合作用——植物通过这一过程把阳光转化为能量用以生长和产生氧气，可以说是地球上最重要的生物学过程。他说：“小麦在其叶片中有经典的C3光合途径，而C3植物，包括水稻，在炎热、干燥气候中则是低效率的。”

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“对生物工程师来说，植物科学的圣杯一直都是C3和C4植物中的光合途径，以培育出更大、更高产的作物，更好地适应气候变化和促进食品安全。世界上热带地区的人口将很快超过其他地区，这一发现对于增加粮食产量以满足未来的需求，可能有着重要的意义。”

Henry教授说，这个发现纯属意外。他说：“我们研究小麦种子中的基因时，所有计算机系统都指向这些C4基因，我们认为，这肯定是错误的，因为小麦并不是C4植物。最终我们发现，小麦在不同的部位、在不同的染色体上，都有所有这些C4基因。以前它从来没有在小麦中被发现过。”

Henry教授说，小麦已经种植了10000多年，一直都是C3植物。他说：“1亿年前，大气中的二氧化碳含量比现在高出10倍，出现了光合作用途径。有一种理论认为，二氧化碳开始下降，植物的种子就进化出一条C4途径，来捕获更多的阳光转化为能量。”

我们知道，植物通过光合作用过程，吸收二氧化碳，利用阳光分解水，释放氧气。然而，我们对于“在光合作用过程中植物如何制造氧气”的机制，却知之甚少。最近，美国路易斯安那州立大学（LSU）科学家所取得的一项突破性进展，将有助于推进我们对于这一关键生态过程的理解。相关研究结果发表在本周的《PNAS》杂志。相关阅读：PNAS突破可加深我们对光合作用的了解。

在白天，植物利用光合作用——一个复杂的、多阶段的生化过程，将太阳的能量转化为糖。最近，一个研究小组带领的一项新研究，发现了对于光合器装配所必需的一种蛋白质，可以帮助我们追溯到地球上生命的早期阶段，理解光合作用的历史，当时大气中的氧并不丰富。这项研究结果发表在2016年2月的《PNAS》杂志。相关阅读：PNAS破解光合作用的一个秘密。

最近，英国John Innes中心的科学家们，对于理解“植物如何开始开花”迈出了关键的一步。相关研究结果发表在《Science》杂志。相关阅读：Science：控制植物开花的“开关”。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
New evidence for grain specific C4 photosynthesis in wheat
Abstract: The C4 photosynthetic pathway evolved to allow efficient CO2 capture by plants where effective carbon supply may be limiting as in hot or dry environments, explaining the high growth rates of C4 plants such as maize. Important crops such as wheat and rice are C3 plants resulting in efforts to engineer them to use the C4 pathway. Here we show the presence of a C4 photosynthetic pathway in the developing wheat grain that is absent in the leaves. Genes specific for C4 photosynthesis were identified in the wheat genome and found to be preferentially expressed in the photosynthetic pericarp tissue (cross- and tube-cell layers) of the wheat caryopsis. The chloroplasts exhibit dimorphism that corresponds to chloroplasts of mesophyll- and bundle sheath-cells in leaves of classical C4 plants. Breeding to optimize the relative contributions of C3 and C4 photosynthesis may adapt wheat to climate change, contributing to wheat food security.