新研究探索了葉綠體的起源

生命史上最重大的事件之一涉及到內共生——一個有機體吞噬另一個有機體的過程，而不是吞食它，而是將它的DNA和功能整合到自己身上。科學界的共識是，這種情況在進化過程中發生了兩次，產生了被稱為線粒體的能量產生細胞器，以及后來的光合作用對應體質體。

發表在《自然通訊》雜志上的一項新研究探索了葉綠體的起源，葉綠體允許植物從大氣中提取碳來構建自己的結構和組織。通過關注質體中常見的一種能量傳輸分子，研究人員發現有證據表明，原始葉綠體的主要作用可能是為細胞產生化學能，只是后來發生了變化，因此它們產生的大部分或全部能量都用于碳同化。

領導這項新研究的伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校化學教授Angad Mehta說，葉綠體被認為是從光合作用的藍藻進化而來的，但尚不清楚藍藻最初對吞噬它們的細胞起什么作用。

“我們提出了這樣一個問題：導致葉綠體的原始共生體對宿主細胞起什么化學作用？他說。“是碳同化還是ATP合成，還是兩者都有？”

各種各樣的證據表明，紅藻和另一種被稱為綠藻的光合作用生物的質體比陸地植物的葉綠體更類似于更古老的進化階段。Mehta說，但是目前的生物信息學方法只能讓這個領域走到這一步。

他說，線粒體和質體功能進化的關鍵在于它們產生能量的能力。兩者都會產生ATP，這是一種充滿能量的分子，驅動著活細胞中的大部分化學相互作用。線粒體和質體都利用位于細胞器膜上的ADP/ATP載體轉座，將ATP與其能量耗盡的前體ADP交換。

Mehta和他的同事們專注于陸地植物、紅藻和藍藻質體中轉座酶活性的差異，以確定這些差異是否可以為葉綠體進化提供線索。

在一系列實驗中，研究人員對藍藻進行了改造，使其表達三種轉位基因中的一種。然后，他們在經過改造的藍藻和出芽的酵母細胞之間誘導人工內共生。通過控制這些細胞生存的實驗室條件，研究人員迫使酵母完全依賴藍藻內共生體來滿足其能量需求。梅塔的實驗室在2022年發表的一項研究中**開發了人工迫使酵母內化藍藻內共生菌的技術。

實驗揭示了轉位酶活性之間的顯著差異。

梅塔說：“最值得注意的是，我們發現，從紅藻和藍藻的質體中表達轉座的內共生體能夠輸出ATP來支持內共生，而從葉綠體中表達轉座的內共生體實際上是輸入ATP，無法支持內共生細胞的能量需求。”陸地植物葉綠體轉座是輸入ATP和排出ADP的過程。

由于紅藻和藍藻的質體看起來類似于一種更古老的光合作用細胞器，新的發現表明葉綠體曾經共享它們的主要功能，即為更大的細胞提供能量。然而，在其進化史的某個階段，陸地植物的葉綠體似乎已經轉變為使用它們通過光合作用產生的ATP來驅動它們自己的碳同化任務。梅塔說，看起來葉綠體甚至會虹吸掉線粒體產生的一些ATP。

梅塔說，雖然新的發現并不能明確證明葉綠體是如何進化的，但它確實提供了支持這一觀點的證據。

他說：“我們的建議是，內共生生物和細胞之間最初的相互作用是基于ATP的產生和供應。”“現在，你可以想象一個場景，當這些生物繼續成為陸地植物時，它們在富氧條件下生長。這使得線粒體可以專門合成ATP，葉綠體可以集中精力，成為驅動碳同化的引擎。”

本網站所有轉載文章系出于傳遞更多信息之目的，轉載內容不代表本站立場。不希望被轉載的媒體或個人可與我們聯系，我們將立即進行刪除處理。