新研究探索了葉綠體的起源

生命史上最重大的事件之一涉及到內(nèi)共生——一個(gè)有機(jī)體吞噬另一個(gè)有機(jī)體的過(guò)程，而不是吞食它，而是將它的DNA和功能整合到自己身上。科學(xué)界的共識(shí)是，這種情況在進(jìn)化過(guò)程中發(fā)生了兩次，產(chǎn)生了被稱(chēng)為線(xiàn)粒體的能量產(chǎn)生細(xì)胞器，以及后來(lái)的光合作用對(duì)應(yīng)體質(zhì)體。

發(fā)表在《自然通訊》雜志上的一項(xiàng)新研究探索了葉綠體的起源，葉綠體允許植物從大氣中提取碳來(lái)構(gòu)建自己的結(jié)構(gòu)和組織。通過(guò)關(guān)注質(zhì)體中常見(jiàn)的一種能量傳輸分子，研究人員發(fā)現(xiàn)有證據(jù)表明，原始葉綠體的主要作用可能是為細(xì)胞產(chǎn)生化學(xué)能，只是后來(lái)發(fā)生了變化，因此它們產(chǎn)生的大部分或全部能量都用于碳同化。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)新研究的伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校化學(xué)教授Angad Mehta說(shuō)，葉綠體被認(rèn)為是從光合作用的藍(lán)藻進(jìn)化而來(lái)的，但尚不清楚藍(lán)藻最初對(duì)吞噬它們的細(xì)胞起什么作用。

“我們提出了這樣一個(gè)問(wèn)題：導(dǎo)致葉綠體的原始共生體對(duì)宿主細(xì)胞起什么化學(xué)作用？他說(shuō)。“是碳同化還是ATP合成，還是兩者都有？”

各種各樣的證據(jù)表明，紅藻和另一種被稱(chēng)為綠藻的光合作用生物的質(zhì)體比陸地植物的葉綠體更類(lèi)似于更古老的進(jìn)化階段。Mehta說(shuō)，但是目前的生物信息學(xué)方法只能讓這個(gè)領(lǐng)域走到這一步。

他說(shuō)，線(xiàn)粒體和質(zhì)體功能進(jìn)化的關(guān)鍵在于它們產(chǎn)生能量的能力。兩者都會(huì)產(chǎn)生ATP，這是一種充滿(mǎn)能量的分子，驅(qū)動(dòng)著活細(xì)胞中的大部分化學(xué)相互作用。線(xiàn)粒體和質(zhì)體都利用位于細(xì)胞器膜上的ADP/ATP載體轉(zhuǎn)座，將ATP與其能量耗盡的前體ADP交換。

Mehta和他的同事們專(zhuān)注于陸地植物、紅藻和藍(lán)藻質(zhì)體中轉(zhuǎn)座酶活性的差異，以確定這些差異是否可以為葉綠體進(jìn)化提供線(xiàn)索。

在一系列實(shí)驗(yàn)中，研究人員對(duì)藍(lán)藻進(jìn)行了改造，使其表達(dá)三種轉(zhuǎn)位基因中的一種。然后，他們?cè)诮?jīng)過(guò)改造的藍(lán)藻和出芽的酵母細(xì)胞之間誘導(dǎo)人工內(nèi)共生。通過(guò)控制這些細(xì)胞生存的實(shí)驗(yàn)室條件，研究人員迫使酵母完全依賴(lài)藍(lán)藻內(nèi)共生體來(lái)滿(mǎn)足其能量需求。梅塔的實(shí)驗(yàn)室在2022年發(fā)表的一項(xiàng)研究中**開(kāi)發(fā)了人工迫使酵母內(nèi)化藍(lán)藻內(nèi)共生菌的技術(shù)。

實(shí)驗(yàn)揭示了轉(zhuǎn)位酶活性之間的顯著差異。

梅塔說(shuō)：“最值得注意的是，我們發(fā)現(xiàn)，從紅藻和藍(lán)藻的質(zhì)體中表達(dá)轉(zhuǎn)座的內(nèi)共生體能夠輸出ATP來(lái)支持內(nèi)共生，而從葉綠體中表達(dá)轉(zhuǎn)座的內(nèi)共生體實(shí)際上是輸入ATP，無(wú)法支持內(nèi)共生細(xì)胞的能量需求。”陸地植物葉綠體轉(zhuǎn)座是輸入ATP和排出ADP的過(guò)程。

由于紅藻和藍(lán)藻的質(zhì)體看起來(lái)類(lèi)似于一種更古老的光合作用細(xì)胞器，新的發(fā)現(xiàn)表明葉綠體曾經(jīng)共享它們的主要功能，即為更大的細(xì)胞提供能量。然而，在其進(jìn)化史的某個(gè)階段，陸地植物的葉綠體似乎已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂盟鼈兺ㄟ^(guò)光合作用產(chǎn)生的ATP來(lái)驅(qū)動(dòng)它們自己的碳同化任務(wù)。梅塔說(shuō)，看起來(lái)葉綠體甚至?xí)缥艟€(xiàn)粒體產(chǎn)生的一些ATP。

梅塔說(shuō)，雖然新的發(fā)現(xiàn)并不能明確證明葉綠體是如何進(jìn)化的，但它確實(shí)提供了支持這一觀點(diǎn)的證據(jù)。

他說(shuō)：“我們的建議是，內(nèi)共生生物和細(xì)胞之間最初的相互作用是基于ATP的產(chǎn)生和供應(yīng)。”“現(xiàn)在，你可以想象一個(gè)場(chǎng)景，當(dāng)這些生物繼續(xù)成為陸地植物時(shí)，它們?cè)诟谎鯒l件下生長(zhǎng)。這使得線(xiàn)粒體可以專(zhuān)門(mén)合成ATP，葉綠體可以集中精力，成為驅(qū)動(dòng)碳同化的引擎。”

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