《自然通讯》一项新研究探索了叶绿体的起源

科学家们发现了分子证据，支持叶绿体起源于产生能量的细胞器，后来才进化成支持植物细胞中的碳吸收的观点。

　　

生命史上最重大的事件之一涉及到内共生——一个有机体吞噬另一个有机体的过程，而不是吞食它，而是将它的DNA和功能整合到自己身上。科学界的共识是，这种情况在进化过程中发生了两次，产生了被称为线粒体的能量产生细胞器，以及后来的光合作用对应体质体。

发表在《自然通讯》杂志上的一项新研究探索了叶绿体的起源，叶绿体允许植物从大气中提取碳来构建自己的结构和组织。通过关注质体中常见的一种能量传输分子，研究人员发现有证据表明，原始叶绿体的主要作用可能是为细胞产生化学能，只是后来发生了变化，因此它们产生的大部分或全部能量都用于碳同化。

领导这项新研究的伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校化学教授Angad Mehta说，叶绿体被认为是从光合作用的蓝藻进化而来的，但尚不清楚蓝藻最初对吞噬它们的细胞起什么作用。

“我们提出了这样一个问题：导致叶绿体的原始共生体对宿主细胞起什么化学作用？他说。“是碳同化还是ATP合成，还是两者都有？”

各种各样的证据表明，红藻和另一种被称为绿藻的光合作用生物的质体比陆地植物的叶绿体更类似于更古老的进化阶段。Mehta说，但是目前的生物信息学方法只能让这个领域走到这一步。

他说，线粒体和质体功能进化的关键在于它们产生能量的能力。两者都会产生ATP，这是一种充满能量的分子，驱动着活细胞中的大部分化学相互作用。线粒体和质体都利用位于细胞器膜上的ADP/ATP载体转座，将ATP与其能量耗尽的前体ADP交换。

Mehta和他的同事们专注于陆地植物、红藻和蓝藻质体中转座酶活性的差异，以确定这些差异是否可以为叶绿体进化提供线索。

在一系列实验中，研究人员对蓝藻进行了改造，使其表达三种转位基因中的一种。然后，他们在经过改造的蓝藻和出芽的酵母细胞之间诱导人工内共生。通过控制这些细胞生存的实验室条件，研究人员迫使酵母完全依赖蓝藻内共生体来满足其能量需求。梅塔的实验室在2022年发表的一项研究中首次开发了人工迫使酵母内化蓝藻内共生菌的技术。

实验揭示了转位酶活性之间的显著差异。

梅塔说：“最值得注意的是，我们发现，从红藻和蓝藻的质体中表达转座的内共生体能够输出ATP来支持内共生，而从叶绿体中表达转座的内共生体实际上是输入ATP，无法支持内共生细胞的能量需求。”陆地植物叶绿体转座是输入ATP和排出ADP的过程。

由于红藻和蓝藻的质体看起来类似于一种更古老的光合作用细胞器，新的发现表明叶绿体曾经共享它们的主要功能，即为更大的细胞提供能量。然而，在其进化史的某个阶段，陆地植物的叶绿体似乎已经转变为使用它们通过光合作用产生的ATP来驱动它们自己的碳同化任务。梅塔说，看起来叶绿体甚至会虹吸掉线粒体产生的一些ATP。

梅塔说，虽然新的发现并不能明确证明叶绿体是如何进化的，但它确实提供了支持这一观点的证据。

他说：“我们的建议是，内共生生物和细胞之间最初的相互作用是基于ATP的产生和供应。”“现在，你可以想象一个场景，当这些生物继续成为陆地植物时，它们在富氧条件下生长。这使得线粒体可以专门合成ATP，叶绿体可以集中精力，成为驱动碳同化的引擎。”