类囊体膜的非产氧起源新假说：解决蓝细菌在硫化环境中多样化悖论

《Communications Biology》：On the non-oxygenic origins of thylakoids

本刊推荐：为解决类囊体膜起源这一长期悬而未决的进化难题，Luc Cornet提出了非产氧起源假说，认为类囊体膜最初作为替代电子流（AEF）的专用场所，通过PSI和ATPase产生ATP/NADPH，使早期蓝细菌能在硫化环境中生存，为理解光合细胞器进化提供了新框架。

　　

在地球生命演化史上，氧合光合作用的出现无疑是最重要的革命性事件之一。这一过程发生在一种特殊的膜结构——类囊体膜（Thylakoid Membranes, TM）上，它们如同微型太阳能电池板，负责将光能转化为化学能。然而，这些精密结构的起源却是一个长期困扰科学家的进化谜题。

现存最原始的蓝细菌群Gloeobacterales为我们提供了关键线索。这些"活化石"竟然完全没有类囊体膜，它们的整个光合作用过程都在细胞质膜（Cytoplasmic Membrane, CM）上进行。这强烈暗示着，现代蓝细菌复杂的类囊体系统是从这种简单的细胞质膜光合状态进化而来的。但这一重大转变是如何发生的？为什么自然选择会青睐这种复杂的膜结构？这些问题至今没有令人满意的答案。

更令人费解的是，化石记录表明蓝细菌在大约3.3亿年前就已经开始进行氧合光合作用，而它们的快速多样化时期恰好与地球的"大氧化事件"（Great Oxidation Event, GOE）相吻合。这一时期海洋环境呈现"硫化"（euxinic）特征——缺氧且富含硫化氢，而对光系统II（Photosystem II, PSII）具有强烈毒性。这就产生了一个明显的悖论：依赖PSII的氧合光合作用是如何在硫化氢这种抑制剂存在的环境中蓬勃发展起来的？

现代类囊体膜的生物发生过程极其复杂，需要数十种组装因子（assembly factors）的精确协调，而且光系统I（Photosystem I, PSI）和PSII的组装机制存在显著差异。PSII的组装始于细胞质膜，其反应中心前体pD1在PratA定义的膜区（PratA-defined membrane, PDM）上完成组装，然后才被整合到类囊体膜中。相比之下，PSI的组装过程了解较少，但已知不涉及SecY通道，且其组装因子在类囊体生物发生的较晚阶段才被检测到。这种差异暗示着两个光系统可能是分阶段被整合到类囊体膜中的。

关键技术方法

研究人员通过系统发育分析确定了蓝细菌的进化关系，利用膜蛋白组学技术分析了类囊体生物发生过程中的蛋白动态变化，采用低温电子断层扫描（cryo-electron tomography）观察膜结构形成，并通过生物信息学方法比较了光合复合物组装因子在蓝细菌中的分布和进化。

类囊体膜生物发生的复杂性与进化启示

类囊体膜的生物发生依赖于高度同步化的过程，涉及多种膜运输和动态相关蛋白。VIPP1（Vesicle-inducing protein in plastids 1）蛋白在这一过程中可能发挥关键作用，尽管其在蓝细菌中的确切功能仍需进一步阐明。除了VIPP1，其他如DedA蛋白（推定的脂质扰乱酶）、SPFH蛋白（参与囊泡脂质运输）和动力蛋白样蛋白（参与膜分裂/融合）等也可能参与类囊体形成。

研究表明，SQDG（sulfoquinovosyldiacylglycerol）生物合成在Phycobacteria根部出现，可能提供了足够的阴离子脂质，使得类囊体膜能够自发形成而无需能量输入。这一发现支持了类囊体膜通过六角形到层状脂质相变形成的假说。

光合复合物与电子载体的协同进化

光合复合物向类囊体膜的转移是一个高度调控的逐步过程。以PSII为例，其生物发生涉及至少33个组装因子，其中27个在蓝细菌中已鉴定出同源物。这些因子作为分子伴侣，负责将PSII亚基从细胞质膜运输到类囊体膜。

有趣的是，研究表明PSII和PSI的组装存在明显的时间差异。PSI组装因子在类囊体生物发生的较晚阶段才被检测到，而早期PSII生物发生相关的组装因子（如YidC/SecY）并未在类囊体膜中被鉴定出来。这种生物发生时间上的差异，以及所涉及组装机器的不同，强烈表明PSI和PSI被整合到类囊体膜中发生在两个不同的进化阶段。

电子载体如质体蓝素（plastocyanin, PC）和质体醌（plastoquinone, PQ）向类囊体的重新定位也提出了进化上的挑战。质体蓝素通过Sec途径靶向类囊体腔，而铜通过跨膜P型ATP酶CtaA和PacS被整合到质体蓝素中，后者主要定位于类囊体膜。

替代电子流：生存的关键适应策略

除了线性电子传递（Linear Electron Transfer, LET）外，现代类囊体膜中还运行着多种替代电子流（Alternative Electron Flows, AEF），这些途径可能在类囊体进化过程中发挥了关键作用。

这些替代电子流包括：循环电子流（Cyclic Electron Flow, CEF），通过NDH1复合物或PGR5/PGRL1类似物（在蓝细菌中为Ssr2016和Ssl1217）产生ΔpH和ATP；假循环电子流（Pseudocyclic Flow），通过黄素蛋白（Flavodiiron proteins, FLV）将O₂还原为H₂O；Mehler反应，直接还原O₂产生H₂O₂；PTOX途径，利用质体末端氧化酶（Plastid Terminal Oxidase, PTOX）将O₂还原为H₂O；以及硫化物途径（Anoxygenic Photosynthesis, AnOxyP），通过硫醌氧化还原酶（Sulfide Quinone Oxidoreductase, SQR）氧化H₂S。

值得注意的是，这些替代电子流的共同点是至少需要PSI和ATPase两个复合物存在于类囊体膜中，它们在这些途径中发挥核心作用。

类囊体膜非产氧起源假说

基于以上观察，研究人员提出了一个创新的进化模型：类囊体膜最初可能起源于非产氧功能。在蓝细菌从Gloeobacterales-like状态向现代状态过渡的过程中，存在一系列进化中间状态。

在这一模型中，最初的原始类囊体膜（Primordial Thylakoid Membranes, PriTM）专门用于替代电子流，至少包含PSI和ATPase，能够在硫化环境中产生ATP和潜在的NADPH，为中间状态蓝细菌提供关键的进化优势。特别是循环电子流（无论是否涉及NDH1）和产氧光合作用（通过SQR酶）这两种途径，能够在硫化条件和含氧条件下都发挥作用。

这种分区策略——细胞质膜 dedicated 于氧合光合作用，而原始类囊体膜 dedicated 于替代电子流——巧妙地解决了蓝细菌在硫化环境中发展的悖论。PSII较晚转移到类囊体膜中，使得氧合光合作用在类囊体膜中变得功能完整，并可能因其效率的显著提高而触发了大氧化事件。

研究结论与意义

这项研究提出了一个全新的类囊体膜进化框架，挑战了传统上认为类囊体膜从一开始就是为氧合光合作用而进化的观点。研究结果表明，类囊体膜可能最初作为替代电子流的专用场所出现，使早期蓝细菌能够在硫化环境中生存，随后才逐步进化出完整的氧合光合作用能力。

这一模型不仅解决了蓝细菌在硫化环境中多样化的悖论，还为理解光合细胞器的进化提供了新视角。研究所提出的进化中间状态假说，以及PSI和PSII分阶段整合到类囊体膜中的观点，为未来实验研究提供了可检验的预测。

该研究的另一重要意义在于系统梳理了类囊体生物发生和光合复合物组装的分子机制，鉴定了64个已知组装因子，并提出了12个关键的未解问题，为未来研究指明了方向。对这些组装因子在蓝细菌中的分布、进化以及分子定年的进一步研究，将有助于验证或修正这里提出的进化假说。

总之，这项研究为我们理解地球上最重要生物化学过程之一的起源和进化提供了新的视角，揭示了生命如何通过巧妙的适应策略，在极端环境中开辟新的生态位，最终改变了整个星球的化学环境。