此前在发表于《分子生物学与进化》(Molecular Biology and Evolution)上的一项研究中，牛津大学(University of Oxford)的、研究人员对11种不同的植物物种进行了研究，结果表明，植物进化速度与它们光合作用的好坏有关。牛津大学植物科学系的研究小组发现了植物基因进化的差异，这可能与植物光合作用的好坏有关。植物需要氮来进行光合作用，用它来构建所需的蛋白质，将大气中的二氧化碳转化为糖类。然而，植物也需要氮来构建自己的基因，DNA中不同的字母需要不同数量的氮来合成a和G，而C和T更便宜。研究发现，在光合作用中投入大量氮的植物会使用“更便宜”的字母来构建自己的基因。这种分子上的“省吃俭用”抑制了基因进化的速度，因此花大量氮进行光合作用的植物进化得更慢。
显微图像显示了光合作用发生的叶绿体。图片：Dr. Alexander Hertle, MPI/Molekulare Pflanzenphysiologie
这项研究提供了光合作用和植物进化之间的新联系，有助于解释为什么植物物种的数量在全球分布不均匀。这也有助于解释为什么光合作用效率高的植物比效率低的植物更快地形成新物种。该研究的主要作者、牛津大学植物科学系的史蒂芬·凯利博士说：这些研究结果也让我们能够预测植物是如何随着气候变化而进化。例如当大气中的二氧化碳浓度上升时，植物不需要投入太多的氮来试图捕获它，因此细胞中更多的氮预算可以花在制造基因上。这意味着，当大气中的二氧化碳浓度上升时，植物基因进化得更快。植物进行光合作用，从而形成地球上大多数生命的基础。
凯泽斯劳滕(Kaiserslautern)和波茨坦(Potsdam)的研究人员目前正在调查陆生植物和藻类光合蛋白的产生是否存在差异。为此，研究了翻译；这是遗传信息转化为蛋白质过程。发现所有的植物都能产生相同数量的主要蛋白质参与光合作用，但在某些情况下，这取决于不同的策略。结果表明，无论植物的栖息地如何，这些蛋白质对植物来说都是非常重要的。这项研究的发现有助于使农作物对气候变化更具抵抗力，这项研究发表在《自然植物》上。在光合作用中，植物利用光从二氧化碳中产生碳水化合物，在这个过程中，它们也释放氧气。这种生物化学的复杂过程发生在叶绿体中，小的绿色细胞器和它们自己的基因组。
图片：Oxford Science Blog
凯泽斯劳滕科技大学真核生物分子遗传学研究小组的助理教授菲利克斯·威尔蒙德博士说：它还含有参与光合作用的蛋白质基因。为了将这种遗传信息“转化”成蛋白质，第一步是将遗传物质复制成一种转录本，称为核糖核酸(RNA)。“这些转录本就像是一种蓝图，在这种蓝图的帮助下，大分子复合物，也就是所谓的核糖体，从单个氨基酸中组装蛋白质，这个过程也被称为翻译。在目前的研究中，Trosch和Willmund博士以及波茨坦- golm的Max Planck分子植物生理学研究所(MPI-MP)的同事们一起研究了陆生植物和藻类在进化史上是否存在差异。他们用一种新方法比较了绿藻、烟草和拟南芥中的这些分子过程。应用了所谓的核糖体分析，在这种方法中，研究人员观察了翻译过程中存在的RNA和核糖体。
类似于足迹，核糖体在RNA上留下痕迹，让科学家可以创建一个特征图像，显示哪些蛋白质以何种数量产生。线索如下：这项技术为提供了整个翻译过程的概述，但也可以更仔细地观察细节。对于这三种植物物种，发现在转化过程中形成的蛋白质数量与在光合作用中起作用相同。然而研究人员也发现在翻译之前和翻译过程中发生分子过程是不同的。在进化的过程中，不同的植物发展出了在转化过程中同样数量地产生相同光合作用成分的机制，这表明了这些分子的核心重要性。结果还表明，在不同的生活条件下，植物通过不同的策略成功地实现了非常相似的光合作用过程。因此重要的是要研究这些基本过程，以便更好地理解植物使用哪些机制来应对环境影响，例如温度或光照的强烈变化。在未来，这些知识将有助于使农作物对气候变化更具抵抗力。
博科园-科学科普｜参考期刊文献 :《Nature Plants》,《Molecular Biology and Evolution》｜研究/l来自：牛津大学，凯泽斯劳滕工业大学，DOI: 10.1038/s41477-018-0211-0，DOI: 10.1093/molbev/msy043
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