斯坦福大学研究人员发现蓝藻中的基因秘密 有望改变碳储存方式

斯坦福大学的研究人员发现，某些蓝藻同时拥有两种形式的 RuBisCo 酶，这种罕见的组合可能会增强它们有效储存碳的能力，尤其是在低氧海洋区域。 这一发现揭示了这些微生物如何适应具有挑战性的环境，并可能对海洋碳储存和作物工程产生影响。

斯坦福大学多尔可持续发展学院地球系统科学助理教授、11月25日发表在《美国国家科学院院刊》上的这项研究的资深作者安妮-德卡斯（Anne Dekas）说："这是科学界的一个伟大范例，去寻找一样东西，但最终却发现了其他更好的东西。"

科考船上的船员和斯坦福大学的科学家们正在准备一排瓶子，这些瓶子将进入海洋，采集海水进行 DNA 分析。 类似的取样方法为研究提供了数据。 资料来源：Anne Dekas

数十亿年前，早在植物出现之前，蓝藻就发明了含氧光合作用。 在利用二氧化碳和阳光生产食物的过程中，这种广泛存在的微生物向空气中释放氧气，使我们星球的大气层成为今天地球上各种生命的乐园。德卡斯说："蓝藻可以说是地球上最重要的生命形式。它们为地球大气层提供了氧气，并掀起了一场生物革命"。

与植物一样，蓝藻也使用一种名为核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（或 RuBisCo）的酶将二氧化碳转化为生物质。 作为自然界中最丰富的蛋白质之一，RuBisCo 有多种形式： 最常见的一种被称为 I 型 RuBisCo，通常使用一种叫做羧酶体的结构来选择性地与二氧化碳而非氧气发生反应，从而使光合作用有效地进行。 具有较少见的第二种酶的生物缺乏羧酶体，但可以在氧气稀缺的环境中有效地利用二氧化碳制造生物质。

装有水下深处海洋样本的瓶子被拖回水面。 图片来源：Anne Dekas

第一作者、地球系统科学博士后亚历克斯-贾菲（Alex Jaffe）说，通常情况下，生物体只有一种形式的 RuBisCo。 因此，当他在研究海洋微生物的碳固定过程中偶然发现这一规则的例外时，他感到非常惊讶。 贾菲当时正在分析从中美洲和南美洲沿岸深海采集的海水样本中提取的DNA，他注意到一些浅水DNA样本不小心溜了进来。 他发现这些样本中的蓝藻似乎具有两种 RuBisCo 形式的基因。贾菲说："我最初的反应是这可能是错误的。"

进一步的研究证实，两种形式的酶都存在于浅水蓝藻中，并被积极用于光合作用，不过要了解蓝藻如何使用这两种形式的酶，还需要进行更多的测试。拥有两种形式的酶，可能会比只有一种酶时从水中清除更多的二氧化碳，或者可能会更有效地清除二氧化碳。

效率可能是样本原产地生存的关键，在海面下约 50 到 150 米的氧气最低区，氧气和光都很短缺。德卡斯说："在那里生存非常困难。对于光合生物来说，当光照不足时，能量就会很少。"

这些发现有助于科学家预测，随着气候变化扩大了低氧区，海洋的碳封存能力可能会发生怎样的变化。 一些蓝藻同时具有两种形式的RuBisCo，这一发现表明，它们储存碳的效率可能比以前所了解的更高，并可能随着低氧区的扩大而大量繁殖。

德卡斯地球微生物实验室的研究人员将刚刚采集的海水从大型样本瓶中倒入较小的试管中，他们将在研究船上对这些海水进行分析。 图片来源：安妮-德卡斯

如果两个 RuBisCos 真的比一个好，那么这一发现还可能带来更高效的作物生产。 数十年来，研究人员一直在试图设计一种 RuBisCo 形式，使作物能够以更少的肥料和水获得更多的生长。贾菲说："我们期待着与植物工程方面的研究人员一起继续思考这个问题，看看它是否能结出一些果实，无论是文字上的还是隐喻上的。"

这些发现让团队对生命适应挑战性环境的能力有了新的认识。尽管这些基因是生物新陈代谢的核心，但它们实际上非常灵活，可以以我们意想不到的方式重新配置和组合。

编译自/ScitechDaily