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《Science》:新型光合作用被发现,有望改写教科书!

近日,科研人员发现了新型光合作用。该发现改变了人们对光合作用基本原理的认识,甚至可能改写课本。

这一发现为我们搜寻外星生命量身定制了新方式,同时,此发现还为人们设计新作物提供了思路,使得这些作物能够利用更长的光波。

此项研究于 14 日发表于《科学》杂志,由伦敦帝国理工学院牵头,得到了英国生物技术与生物科学研究理事会(BBSRC)的支持。来自堪培拉澳大利亚国立大学(ANU)、巴黎及萨克莱法国科学研究中心、以及米兰国家研究委员会的科研团队也参与了此次研究。

《Science》:新型光合作用被发现,有望改写教科书!

图|海滩岩石的横截面(澳大利亚 Heron 岛)显示含有叶绿素-f 的蓝藻(绿色带)可深达岩表下数毫米

地球上,绝大多数的生命在进行光合作用时所利用的都是可见红光,但此种新型的光合作用则利用了近红外光。这种新型光合作用发现于大范围的蓝藻(蓝绿藻)中。在像黄石公园细菌垫及澳大利亚海滩岩石等阴暗环境,这些藻类也能在近红外光下生长。

正如科学家们所发现的一样,在伦敦帝国理工学院配有红外 LED 的壁橱内,它们也能生长。

超越了红光限制的光合作用

标准的、几乎所有类型的光合作用都要用到绿色素——叶绿素-a 来收集光线,并利用光能制造出有用的生化物质及氧气。这种叶绿素-a 吸收光的方式意味着只有红光产生的能量才能被光合作用所利用。

由于叶绿素-a 存在于已知的所有植物、藻类及蓝藻中,因此,人们普遍认为,红光的能量为光合作用设置了“红光限制”。所谓“红光限制”就是在产生氧气的化学过程中所需要的最少能量。在天体生物学中,“红光限制”可用于判断其他太阳系行星中能否演化出复杂生命。

然而,这些在近红外光下生长的蓝藻打破了叶绿素-a 一统天下的局面,其他叶绿素,叶绿素-f 登上了历史舞台。

在此之前,人们曾认为叶绿素-f 只能吸收光线。此项新研究表明,其实恰恰相反,在阴暗条件下,叶绿素-f 在光合作用中大有用武之地,它可以利用低能量红外光来进行复杂的化学反应。这也就是所谓超越了“红光限制”的光合作用。

研究带头人、帝国理工学院生命科学部的首席研究员 Bill Rutherford 教授表示:“这种光合作用的新形式引发了我们对之前认为可能事情的新思考,同时,也改变了我们对标准光合作用核心的认识,是一项改写教科书的发现。

《Science》:新型光合作用被发现,有望改写教科书!

图|拟甲色球藻状(Chroococcidiopsis-like)细胞集落,其光合作用由叶绿素-a(品红)和叶绿素-f(黄)驱动

防止光损伤

早前,人们曾发现,另一种蓝藻—— Acaryochloris 也可进行不受红光限制的光合作用。但是,由于其仅发生在单一物种内,而且生长地特殊,故被认为是“特例”。该蓝藻生活中绿色海鞘底部。那里隔绝了除近红外光之外的大部分可见光。今日报道的基于叶绿素-f 的光合作用代表了第三种广泛存在的光合作用。然而,这种光合作用仍仅存在于特殊的红外光丰富的阴暗环境中;在正常光照条件下,仍采用标准红光形式的光合作用。

有人认为,超出“红光限制”会导致更为严重的光损伤,但新的研究表明,在稳定的阴暗环境中,光损伤并非问题所在。

联合作者、帝国理工学院生命科学部的 Andrea Fantuzzi 博士说:“红光外光合作用的发现改变了我们对光合作用能量要求的认识。这为我们利用光能、避免光损伤提供了新思路。”

这些新思路对研究人员对研究人员来说大有裨益。根据这些新思路,他们可以设计出新作物,使之能够利用更光谱的光进行更为有效的光合作用。蓝藻通过光亮变更保护自身免受光害。现在,这一方式也可帮助科研人员判断其作物设计的可行性。

改变教科书般的见解

这个基于叶绿素-f 的新系统比之前标准的叶绿素 -a 系统显示出了更多细节。通常认为的所谓“辅助”叶绿素实际上是化学作用的关键步骤,而非课本上所称的复杂生物中心的叶绿体“特殊对”。

这表明这种模式适用于其他类型的光合作用。这一发现将改变教科书中关于光合作用主要工作形式的介绍。

这项研究的发起人和第一作者 Dennis Nürnberg 博士说:“我从没想过我对蓝藻及其不同生活方式的兴趣像滚雪球般越滚越大,最终改变了我们对光合作用的理解。太神奇了,大自然还有多少奥秘等着我们去发现呢?”

BBSRC-UKRI 前沿生物科学负责人 Peter Burlinson 说:“这是光合作用方面的一大重要发现。光合作用在作物生物学中举足轻重,而作物是全世界的命脉。这样的发现拓展了人们对生命的认识。Bill Rutherford 教授和帝国理工学院的团队应该为揭示这个基础过程的全新视角而深感自豪。”

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