科学家们已经确定了一段DNA序列，存在于C3植物（如小麦和大豆）和C4植物（包括玉米和高粱）中，这段DNA增强了C4植物的光合作用，使它们能够更好地承受高温和干旱条件。这一重大发现揭示了某些植物如何适应以提高效率，它可能为激活C3植物中的C4光合作用奠定基础。这是发展可持续作物品种的关键进展，可以应对气候变化并支持不断增长的全球人口。
在30亿年前，光合作用首次出现在被海洋覆盖的地球上的古代细菌中。经过数百万年，这些细菌进化成植物，优化其功能以适应环境变化。大约3000万年前，一种新的、更有效的光合作用方法出现了。虽然某些植物，如水稻，保留了旧的C3光合作用方法，但玉米和高粱等物种则进化出了一种被称为C4的新方法。
目前，有超过8000种C4植物，它们适应炎热和干燥的条件，并在全球最具生产力的作物中名列前茅。然而，大多数植物仍主要使用C3光合作用。这引发了关于C4植物是如何进化的以及C3植物是否也可以经历类似转变的问题。
萨尔克研究所的研究人员首次与剑桥大学合作，确定了一个重要的进化步骤，使像高粱这样的C4植物能够优化它们的光合作用能力。这一见解可能有助于提高水稻、小麦和大豆等作物在气候变化下的生产力和韧性。
研究结果于2024年11月20日在《自然》上发表。
萨尔克研究所的遗传学研究著名学者及该研究的高级作者约瑟夫·艾克（Joseph Ecker）说：“研究C3和C4植物之间的差异，不仅对理解进化生物学至关重要，而且对在气候挑战下最大化作物产量也至关重要。”
大约95%的植物利用C3光合作用，这涉及到叶片中的叶肉细胞（绿色海绵细胞）将光、水和二氧化碳转化为植物生长所需的糖。尽管普遍存在，C3光合作用有两个显著缺点：1）二氧化碳的约20%被错误地用作氧气，降低了效率并浪费了能量；2）叶孔保持过于开放，导致水分流失，使植物对干旱和高温的压力更为敏感。
C4光合作用解决了这些挑战。C4植物除了使用叶肉细胞外，还利用束鞘细胞进行光合作用，从而避免氧气使用错误，并更频繁地保持叶孔关闭以减少水分流失。与C3植物相比，这种方法使光合作用的效率提高了50%。
那么，是什么分子变化使C3植物进化为C4植物？我们能否促进C3作物转变为C4品种？
为了研究这些问题，萨尔克的科学家们采用先进的单细胞基因组技术，比对了C3稻米与C4高粱。早期的技术无法区分叶肉细胞与束鞘细胞等相邻细胞，但单细胞基因组技术使团队能够评估两种植物中每种细胞类型的遗传和结构差异。
艾克解释说：“我们很惊讶地发现，C3和C4植物之间的区别并不是由特定基因的去除或添加造成的。相反，差异发生在调控水平，这可能有助于激活C3作物中更有效的C4光合作用。”
生物体内的所有细胞共享相同的遗传物质，但不同基因的表达定义了每种细胞的角色和功能。基因表达可以受到转录因子的影响——这些蛋白质附着在称为调控元件的特定DNA序列上。这些因子帮助启用或禁用附近的基因。
在分析稻米和高粱的基因表达时，科学家们发现了一类被称为DOFs的转录因子，这些因子调节两个植物中束鞘细胞形成的基因。他们还观察到DOFs与两种物种中的相同调控元件结合。然而，在C4高粱中，这些元件不仅对应到束鞘身份基因，还激活与光合作用相关的基因。这表明C4植物可能已将束鞘基因的祖先调控元素整合到光合作用基因中，使得DOFs能够同时刺激这两组基因——从而使C4植物中的束鞘细胞能够进行光合作用。
这些发现表明，C3和C4植物都拥有进行高效C4光合作用所需的必需基因和转录因子，为科学家促使C3植物采用这一先进光合作用方法提供了希望之路。
本研究的共同第一作者、艾克实验室的博士后研究员约瑟夫·斯威夫特（Joseph Swift）评论道：“我们现在有了一个框架来理解不同植物如何利用太阳能在不同环境中茁壮成长。我们的主要目标是开启C4光合作用，为未来几代带来更高生产力和韧性的作物。”
团队的下一步是评估工程稻米以利用C4光合作用而非C3的可行性。这个长期目标面临着实质性的技术挑战，通过名为“C4稻米项目”的全球合作来解决。同时，这些发现将有助于萨尔克利用植物倡议，专注于发展能够抵御气候变化影响的优化作物。
在本研究中收集的单细胞基因组数据也已向全球科学家开放，引发了对其潜在答案解决长期进化难题的热情。
其他作者包括来自萨尔克的特拉维斯·李（Travis Lee）和约瑟夫·内里（Joseph Nery），以及来自英国剑桥大学的勒奥妮·卢金布赫尔（Leonie Luginbuehl）、雷·华（Lei Hua）、蒂娜·施雷尔（Tina Schreier）、鲁思·唐纳德（Ruth Donald）、苏珊·斯坦利（Susan Stanley）、娜·王（Na Wang）和朱利安·希伯德（Julian Hibberd）。
本研究得到了霍华德·休斯医学研究所、生物技术和生物科学研究委员会、C4稻米项目、比尔和梅林达·盖茨基金会、生命科学研究基金会、赫歇尔·史密斯奖学金和欧洲分子生物学组织的支持。
