祖先細胞身份網絡的適應性賦予了 C4 光合作用的能力

核心概念

C4 光合作用的進化是藉由利用祖先 C3 植物中已存在的基因調控網絡，重新編程維管束鞘細胞的身份而實現的。

摘要

這篇研究論文探討了 C4 光合作用的進化機制。C4 光合作用是植物中一種高效的碳固定途徑，賦予植物更高的光合效率。研究人員通過比較 C3（水稻）和 C4（高粱）植物的基因表達和染色質可及性圖譜，發現 C4 植物中維管束鞘細胞特異性表達的基因受到一種稱為 DOF 的轉錄因子調控。這些 DOF 轉錄因子結合的 DNA 序列（DOF 基序）在 C3 植物中就已經存在，但僅在 C4 植物中被用於激活維管束鞘細胞中的光合作用基因。

研究結果表明，C4 光合作用的進化並非完全從頭開始，而是利用了祖先 C3 植物中已存在的基因調控網絡。通過獲得新的 DOF 基序，C4 植物能夠重新編程維管束鞘細胞的身份，使其成為高效的碳固定場所。

這項研究的意義在於揭示了 C4 光合作用進化的分子機制，為將 C4 途徑引入 C3 作物以提高其產量和抗逆性提供了新的思路。

統計資料

與祖先的 C3 途徑相比，C4 光合作用使植物的光合效率提高了 50%。
超過 60 個植物譜系獨立進化出 C4 光合作用。

引述

"Our findings are consistent with a simple model in which C4 photosynthesis is based on the recruitment of an ancestral cis-code associated with bundle-sheath identity."
"Gain of such elements harnessed a stable patterning of transcription factors between cell types that are found in both C3 and C4 leaves to activate photosynthesis in the bundle sheath."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Exaptation of ancestral cell-identity networks enables C4 photosynthesis - Nature

by Joseph Swift... 於 www.nature.com 11-20-2024

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08204-3

深入探究

如何將這些關於 C4 光合作用進化的分子機制應用於實際的作物改良中？

了解 C4 光合作用進化過程中的分子機制，特別是 DOF 轉錄因子與其 cis 調控元件在維管束鞘細胞特化中的作用，為我們提供了改造 C3 作物、提升其光合作用效率的潛在途徑。以下是一些可能的應用方向：

基因編輯改造 C3 作物的基因調控網絡: 可以利用 CRISPR/Cas9 等基因編輯技術將 C4 植物中 DOF 轉錄因子結合的 cis 調控元件插入到 C3 作物中與光合作用相關基因的啟動子區域，模擬 C4 植物中維管束鞘細胞的基因表達模式，從而提高光合作用效率。
篩選和利用自然變異: 可以通過對 C3 作物及其野生近緣種進行大規模基因組測序和基因表達分析，尋找與 DOF 轉錄因子結合位點以及維管束鞘細胞特化相關的自然變異，並利用這些變異進行育種，以期提高 C3 作物的 C4 光合作用特性。
合成生物學方法構建人工調控網絡: 可以利用合成生物學的方法，設計和構建人工的 DOF 轉錄因子及其調控網絡，並將其導入 C3 作物中，以期精確控制光合作用相關基因在維管束鞘細胞中的表達，從而提高光合作用效率。

然而，需要注意的是，C4 光合作用是一個複雜的性狀，涉及到眾多基因和調控網絡的協同作用。因此，將 C4 光合作用引入 C3 作物需要對這些基因和網絡進行系統的改造和優化，而這需要深入的研究和大量的實驗驗證。

是否所有 C4 植物都利用了相同的 DOF 調控網絡來實現維管束鞘細胞的特化？

雖然研究表明 DOF 轉錄因子在水稻和高粱這兩種 C4 作物中都參與了維管束鞘細胞的特化和光合作用基因的調控，但这并不意味着所有 C4 植物都利用了相同的 DOF 調控網絡。

趋同进化: C4 光合作用在植物进化史上独立起源了多次，这意味着不同的 C4 植物可能利用了不同的基因和调控机制来实现 C4 途径。
DOF 家族的多样性: DOF 轉錄因子家族庞大且功能多样，不同植物中 DOF 家族成员的数量和功能可能存在差异。
因此，需要对更多 C4 植物进行研究，才能确定 DOF 調控網絡在 C4 光合作用进化中的普遍性。

從更廣泛的生物進化角度來看，這種利用和改造祖先基因調控網絡的策略有多普遍？

利用和改造祖先基因調控網絡是生物进化的一个重要策略，在生物界中普遍存在。

基因调控网络的保守性: 生物进化过程中，基因调控网络的整体结构和功能往往比较保守，这为新性状的进化提供了基础。
基因调控网络的可塑性: 基因调控网络也具有一定的可塑性，可以通过基因重复、突变、重组等机制产生新的调控元件和调控关系，从而导致新性状的产生。
许多重要的进化事件，例如：

眼睛的进化: 不同生物的眼睛虽然形态和结构差异很大，但都利用了 Pax6 基因及其调控网络。
四肢的进化: 不同脊椎动物的四肢形态各异，但都利用了 Hox 基因及其调控网络。
这些例子都说明了生物在进化过程中倾向于利用和改造已有的基因调控网络，而不是从头进化出全新的网络。这种策略可以更加高效地产生新的性状，适应不断变化的环境。