生物实验技术

布朗大学的生物学家领导的一项研究解释了为什么草进化出比其他物种更高效的光合作用方式。
C3植物是光合作用是CO2中的C直接转移到C3(3-磷酸甘油酸)里的植物，如小麦、水稻、大豆等温带植物。C3植物是光合作用是CO2中的C首先转移到C4(草酰乙酸)里，然后再转移到C3中，如玉米、甘蔗、高粱等热点植物、C3植物较原始，C4植物较进化，草本植物较进化。至今木本植物还未发现C4植物，只有草本植物中有C4植物。

研究人员认为，对C4植物这种更好的方法使他们在温暖，阳光充足和干燥的条件下摄取所需养分。而C3植物没有这种独特的机制。

科学家们已经知道，所有的草BEP和PACMAD的分支有基础代谢而成为C4植物，那么这其中的进化机制是怎么样的呢?

为了找到答案，Brown和Pascal-Antoine Christin 花了2年时间仔细检查157种BEP和PACMAD的草的细胞解剖结构，并使用遗传数据绘制出其进化树以推断解剖特征，这让他们考虑物种间的解剖结构差异如何随着时间的推移而变大。

同时为了解C4演变，研究人员集中对C3草本植物每个分支的解剖结构的研究。

结果发现，许多PACMAD C3草的叶子的叶脉比BEP的C3草本植物的更紧密联系起来，并且叶脉被较大的细胞(“维管束鞘细胞)包围。最终PACMAD草叶肉有较高比例的维管束鞘细胞。

在C4植物中，CO2是在相对短缺的时候，这样的解剖结构有利于更有效的传输和处理的维管束鞘细胞中的CO2。当温度变热或植物处于压力条件时，他们停止吸收过多的CO2。

所以PACMAD草已经进化出倾向C4光合作用，BEP草没有，布朗大学生态和进化生物学助理教授，资深作者埃里卡·爱德华兹说。“我们发现，C3 BEPS与PACMAD的C3S含量有很大的不同，”她说。“我们认为这是C4-生理学进化的垫脚石。”

约60万年前，BEP和PACMAD草是相似的，都是朝着相同的方向。在两个分支之间的距离的叶脉已经生长紧密联系在一起。不过，他们中的一个重要方式开始偏离。周围的BEP草的维管束鞘细胞开始缩小，而在PACMAD草不变。

“当大气中的二氧化碳减少，PACMAD的分支的植物叶脉和维管束鞘细胞之间的距离变小”克里斯廷和共同作者在论文中写道。

研究人员还发现，C4植物的进化中解剖学上的细微差别。有些C4植物的外鞘细胞出现了有利变化的进化，而有的则改善的内鞘细胞。

“现在，我们有这个越来越详细的鸟瞰图，我们可以开始一个更具预测性的科学，”她说。“我们将能够在基因工程方面向有需要的人提供改善品种上的一些有用的信息。”