科学家发现了分子证据，表明叶绿体最初是作为能量产生细胞器开始的，后来适应于帮助植物细胞进行碳同化。
地球上生命进化的一个关键时刻是内共生过程。这是一个生物消耗另一个生物的过程，但不是消化，而是第一个生物整合其DNA和功能。科学家们普遍认为，这一事件在进化历史上发生了两次，导致了线粒体的形成，以及随后光合质体的形成。
最近发表在《自然通讯》上的一项研究调查了叶绿体的起源，叶绿体是使植物能够从空气中吸收碳以构建其细胞结构和组织的质体。通过检查一种参与质体中能量传输的分子，研究人员发现证据表明，原始的叶绿体最初可能主要用于为细胞产生化学能量，随后其主要功能转变为碳同化。
叶绿体被认为是从光合蓝藻进化而来的；然而，目前尚不清楚最初的蓝藻对吞噬它们的细胞起到了什么作用，伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的化学教授、此次新研究的首席作者安戈德·梅塔（Angad Mehta）表示。
“我们质疑最终成为叶绿体的原始共生体在宿主细胞中所扮演的化学角色。”梅塔解释道。“它是促进碳同化、ATP合成，还是二者都有？”
研究表明，红藻和另一类光合生物——青紫藻中的质体可能是比陆地植物中发现的叶绿体更早的进化形式。然而，梅塔指出，目前的生物信息学技术有其局限性。
他表示，理解线粒体和质体的进化依赖于它们产生能量的能力。这两种细胞器都能产生ATP，这是一种为大多数生命细胞中的化学反应供能的关键富能分子。它们还利用位于细胞器膜内的ADP/ATP载体转运酶，在能量消耗后将ADP与ATP交换。
梅塔和他的团队研究了陆地植物、红藻和青紫藻质体中转运酶活性的变化，以了解叶绿体的进化。
通过一系列实验，研究人员修改了蓝藻，以表达三种转运酶类型之一。然后，他们在这些工程蓝藻和芽酵母细胞之间创造了人工内共生。通过控制实验室环境，他们使酵母完全依靠蓝藻内共生体来获取能量。梅塔的实验室最初在2022年的一项研究中开发了这种方法，以诱导蓝藻内共生体的内化。
研究结果显示，转运酶活性存在显著差异。
“我们观察到显著差异：具有红藻和青紫藻的转运酶的内共生体能够出口ATP以维持内共生，而具有叶绿体转运酶的内共生体则进口ATP，无法满足内共生细胞的能量需求。”梅塔指出，来自陆地植物叶绿体的转运酶正在吸入ATP并释放ADP。
由于红藻和青紫藻的质体似乎反映了一种更古老的光合细胞器形式，新的研究表明，叶绿体最初有相似的功能，为宿主细胞提供能量。然而，在进化的某个时刻，陆地植物的叶绿体似乎已经转向使用来源于光合作用的ATP来驱动它们自己的碳同化过程。梅塔补充说，叶绿体可能甚至利用部分由线粒体产生的ATP。
尽管新数据并没有确凿证明这一叶绿体的进化路径，但根据梅塔的说法，它确实增强了这一观点。
“这个假设建议内共生体与宿主细胞之间的最初关系是基于ATP的生产和供应，”他说。“可以想象一个情境，随着这些生物在富含氧气的环境中逐渐演变为陆地植物，线粒体在产生ATP方面变得专业化，而叶绿体则优化了碳同化。”
这项研究得到了戈登和贝蒂·摩尔基金会和国家卫生研究院的国家普通医学科学研究所的支持。梅塔还与伊利诺伊大学卡尔·R·沃斯基基因组生物学研究所相关联。
