维也纳大学Wolfram Weckwerth领导的研究人员现已揭示，一种特别节水的光合作用形式（CAM）是如何在单一热带树木属内以多种方式进化的。通过比较三种Clusia物种的基因组，该团队追溯了古老的基因组复制以及随后广泛的基因重组是如何帮助产生不同形式的CAM的。该研究结果最近发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。
追溯至200年前的光合作用之谜
大约在1800年，亚历山大·冯·洪堡在研究一种热带树木时注意到了一些不寻常的现象。他将该植物的一片叶子放入水中，发现即使在阳光下，它也没有产生他以前观察到的氧气气泡。
解释在于该植物不同寻常的日常作息。它的气孔——通常在白天吸收CO2并释放氧气的微小孔隙——在阳光照射时保持关闭，从而减少因蒸发造成的水分流失。相反，该植物在夜间吸收CO2，将其化学结合，并以苹果酸的形式储存起来。
这种策略被称为“CAM光合作用”（景天酸代谢）。尽管科学家早就了解CAM的工作原理，但它在Clusia属内究竟是如何进化的，以及为什么不同物种以不同方式使用它，一直尚不清楚。
比较三种热带树木的基因组
为了进行调查，研究人员分析了三种具有不同CAM表型的Clusia物种的基因组：Clusia rosea、Clusia minor和Clusia major。他们将分子数据与在现实环境条件下植物功能的测量结果结合起来。
Clusia属对于研究光合作用的进化特别有价值，因为它包含了已知唯一使用CAM的树木。它的物种还显示出异常广泛的光合作用策略范围，从在白天吸收二氧化碳的传统C3光合作用，到非常强的CAM。
这种多样性为科学家提供了一个难得的机会，以研究植物如何在不同形式的光合作用之间进行转换。
古老的基因组复制重塑了光合作用
基因组分析表明，所有三种Clusia物种都是古老的多倍体。在它们进化史的某个时刻，它们的基因组发生了倍增（多倍化）。在漫长的时期内，这些扩大的基因组随后被重组和重塑（二倍化）。
“在这个过程中，基因拷贝会丢失、失活或承担新的功能，”维也纳大学功能与进化生态学系分子系统生物学分部的第一作者Hannes Kramml解释道。
共同第一作者Johannes Herpell补充道：“对CAM代谢中夜间CO2储存至关重要的基因受到的影响尤为显著。”
植物并没有简单地携带相同基因的额外拷贝，而是逐渐将这些复制的基因组转化为不同的东西。
“基因组不仅仅是简单地倍增；在数百万年的时间里，它们被重组、缩减并在功能上重新布线。这种巨大的可塑性解释了Clusia属中CAM的生理多样性，”研究负责人Wolfram Weckwerth解释道。
不同的树木以不同方式使用CAM
研究人员随后检查了这些遗传差异是如何影响植物本身的。他们在接近自然的温室条件下全天监测这些树木，同时改变可用水量。
该团队将植物生理学的测量与基因活性、蛋白质和代谢产物的分析结合起来。
这三个物种显示出截然不同的策略。Clusia rosea使用强CAM，并在夜间以苹果酸的形式储存大量二氧化碳。Clusia minor主要在经历胁迫条件时开启CAM。同时，Clusia major使用结合了C3光合作用和CAM的混合策略。
这些生理差异在基因活性和代谢模式中也很明显，使研究人员能够将植物的行为与他们识别出的基因组变化联系起来。
研究结果表明，Clusia属内的CAM并不是由单一的进化事件产生的。相反，反复多轮的基因组重组似乎产生了这种节水策略的不同版本，帮助各个物种适应截然不同的生态位。
为培育更抗旱的作物提供线索
这些结果最终可能会产生超越热带树木的影响。
CAM植物比完全依赖更传统光合作用形式的植物所需的水分少得多，这使它们成为开发气候韧性作物的潜在有用模型。
最新获得的基因组信息可以帮助研究人员识别参与高效CO2固定和高水分利用效率的代谢过程。从长远来看，这些知识可能有助于科学家开发出更适应干旱环境条件的作物。