生物行移动版

约1800年，亚历山大·冯·洪堡在观察热带植物时注意到一个反常现象：当他将一片热带树木的叶片浸入水中并暴露于阳光下时，叶片表面并未像预期那样冒出氧气气泡。这一观察首次暗示了某些植物采用了一种截然不同的光合作用策略——白天关闭气孔，夜间吸收二氧化碳。这种被称为景天酸代谢（CAM）光合作用的机制，能够显著减少水分蒸发，使植物在干旱环境中生存。然而，科学家对CAM在特定植物类群中如何演化、为何呈现多种形式，长期以来知之甚少。

维也纳大学Wolfram Weckwerth领导的研究团队近日在《Nature Communications》发表重要成果，通过对热带树木Clusia属三个物种的基因组进行深入分析，揭示了CAM光合作用在该属内的多重演化路径。这项研究不仅阐明了基因组复制与重塑如何驱动光合作用策略的多样化，更为未来培育适应干热气候的作物提供了宝贵的基因组资源。

全基因组复制后的基因重塑驱动CAM多样性

研究团队选取了三种具有不同CAM表型的Clusia物种进行基因组分析：Clusia rosea、Clusia minor和Clusia major。该属是已知唯一包含使用CAM的树木的植物类群，其光合作用策略涵盖了从经典C₃光合作用（白天吸收二氧化碳）到高度发达的CAM的广泛谱系，使其成为研究光合作用类型演化转换的理想模型。

分析结果显示，三个Clusia物种均为古老的多倍体，意味着它们的基因组在演化过程中经历了倍增（多倍体化），随后在漫长的地质时间尺度上被重塑（二倍体化）。第一作者Hannes Kramml解释道：“在这个过程中，基因拷贝被丢失、失活或获得新功能。”共同第一作者Johannes Herpell补充道：“对CAM代谢中夜间二氧化碳储存至关重要的基因尤其受到影响。”

研究负责人Weckwerth进一步指出：“基因组并非简单地倍增；在数百万年间，它们被重组、缩减和功能重连。这种巨大的可塑性解释了Clusia属中CAM的生理多样性。”CAM在该属中并非单次演化事件，而是通过反复的基因组重组独立出现，使不同物种得以适应迥异的生态位。

真实环境条件下的CAM表型验证

为验证遗传差异如何影响植物生理，研究团队在模拟自然条件的温室中，设置不同水分供应水平，对三种Clusia进行了全天候监测。他们结合了生理学测量与基因活性、蛋白质及代谢产物的多维分析。

结果显示，Clusia rosea表现出强CAM特征，具有明显的夜间二氧化碳储存为苹果酸的能力；Clusia minor主要在胁迫条件下激活CAM，在水分充足时则采用常规C₃光合作用；而Clusia major则使用C₃与CAM的混合模式。这些差异在基因表达和代谢模式中表现一致，并与研究中鉴定的遗传变化相关联。

为气候适应性农业提供新思路

CAM植物用水量远低于常规C₃植物，使其成为培育适应更炎热干燥气候作物的有前景的模型。该研究提供的基因组数据使科学家能够识别与高效二氧化碳固定和改善水分利用效率相关的代谢过程。随着时间推移，这些见解有望帮助科学家更精准地改良作物以适应干旱环境。

这项研究不仅深化了我们对光合作用演化可塑性的理解，也为应对全球气候变化对农业的威胁提供了重要的基础科学支撑。通过解析Clusia属中CAM多次独立演化的遗传机制，研究人员为未来作物改良开辟了新的分子靶点。