PNAS破解光合作用的一个秘密

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最近的《PNAS》杂志。

　　

生物通报道：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——包括卡耐基科学研究所的Mark Heinnickel、Wenqiang Yang和Arthur Grossman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。他们的这项研究结果发表在最近的《PNAS》杂志。

光合作用是有阶段性地发生的。在“第一阶段”，光被吸收并用于产生能量分子，与氧气一起作为副产品。然后，这些能量分子，被用来为光合作用的“第二阶段”提供动力，在这个阶段，空气中的二氧化碳被固定在碳基的糖中，如葡萄糖和蔗糖。

利用绿藻Chlamydomonas，该研究小组——其中还包括斯坦福大学的研究生Rick Kim和Tyler Wittkopp、宾夕法尼亚州立大学的Karim Walters、怀俄明大学的客座教授Stephen Herbert，重点研究一个蛋白质——CGL71。已知它参与装配一系列蛋白质，这些蛋白质在光合作用的第一阶段构成了光合器的一部分，将阳光转化为能量分子，以给第二阶段提供动力，也有一个氧气副产物。但是直到现在，关于CGL71在装配过程中的作用，还知之甚少。

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该小组明确的是，CGL71的至少一方面工作是在装配过程中保护光合器防御氧。没错，就是防御氧气。你看，光合作用是在30亿年前首先从细菌中进化出来的，当时地球大气中的氧气很少。当然，随着光合细菌在远古地球上越来越多，大气发生了变化，最终产生了我们今天呼吸的富含氧气的空气。

氧是一种非常活泼的分子，可以破坏含铁和硫的蛋白质集群，这些蛋白质对于光合作用至关重要。就像CGL71一样，这些蛋白质集群对于光合作用的第一阶段非常重要，在这个阶段它们移动电子以产生能量分子。正如氧可以使铁生锈一样，它可以破坏光合器的铁和硫蛋白。

所以随着氧气在地球大气中的累积，光合机制需要防御自己的这些副产品，CGL71是逐渐进化出来的一个组成部分，使光合器能够在这些新的条件下保持稳定。

Grossman说：“当我们研究这个关键的组件蛋白CGL71时，好像我们倒回到了过去的时代，当时光合器已逐步调整到适应我们这个星球不断变化的大气条件。”

作为植物的一个重要机制，光合作用一直是植物学家们研究的重点。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。2014年10月，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《PNAS》杂志(PNAS突破可加深我们对光合作用的了解)。去年11月份，国际权威学术刊物《自然•遗传学》在线发表了福建农林大学明瑞光教授团队的研究成果“菠萝基因组与景天酸代谢光合作用的演化”。该项研究在全世界首次破译菠萝基因组的基础上，首次阐明了菠萝中的景天酸光合作用基因是通过改变调控序列演化而来，并且受昼夜节律基因的调控，从而找到景天酸代谢植物的“光合开关”。这是国内破译的首个热带植物基因组(福建农林大学发布:菠萝中找到调控植物光合作用"开关")。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Tetratricopeptide repeat protein protects photosystem I from oxidative disruption during assembly
Abstract：A Chlamydomonas reinhardtii mutant lacking CGL71, a thylakoid membrane protein previously shown to be involved in photosystem I (PSI) accumulation, exhibited photosensitivity and highly reduced abundance of PSI under photoheterotrophic conditions. Remarkably, the PSI content of this mutant declined to nearly undetectable levels under dark, oxic conditions, demonstrating that reduced PSI accumulation in the mutant is not strictly the result of photodamage. Furthermore, PSI returns to nearly wild-type levels when the O2 concentration in the medium is lowered. Overall, our results suggest that the accumulation of PSI in the mutant correlates with the redox state of the stroma rather than photodamage and that CGL71 functions under atmospheric O2 conditions to allow stable assembly of PSI. These findings may reflect the history of the Earth’s atmosphere as it transitioned from anoxic to highly oxic (1–2 billion years ago), a change that required organisms to evolve mechanisms to assist in the assembly and stability of proteins or complexes with O2-sensitive cofactors.