普通马齿苋,竟身怀抗旱高产关键“绝技”?

科幻网8月10日讯(王秀霞) 在这个被气候变化困扰的世界里,一种普通的杂草为如何培育抗旱作物提供了重要的线索。马齿苋,为马齿苋科一年生草本植物,肥厚多汁,无毛,高10-30cm,生于田野路边及庭园废墟等向阳处,国内各地均有分布。该种为药食两用植物,全草供药用,有清热利湿、解毒消肿、消炎、止渴、利尿作用,种子明目。

平平无奇马齿苋,抗旱高产大作用

在8月5日的《科学进展》(Science Advances)杂志上,耶鲁大学的科学家们发表了报告。报告中,他们描述了马齿苋是如何整合两种不同的代谢途径,从而产生一种新型的光合作用,使这种杂草能够忍受干旱,同时保持高产。

植物已经独立进化出各种不同的机制来改善光合作用,这是绿色植物利用阳光从二氧化碳和水中合成营养物质的过程。例如,玉米和甘蔗进化出了C4光合作用,使植物在高温下保持高产。仙人掌和龙舌兰等多肉植物具有另一种类型的CAM光合作用,这有助于它们在沙漠和其他缺水地区生存。C4和CAM的功能不同,但吸收相同的生化途径作为常规光合作用的“附加物”。

马齿苋的独特之处在于它拥有这两种进化适应能力——这使得它既高产又耐旱,这对一种植物来说是不太可能的组合。大多数科学家认为C4和CAM在马齿苋的叶子中独立运作。

但是,由共同通讯作者、博士后学者Jose Moreno-Villena和Haoran Zhou领导的耶鲁团队对马苋叶片内的基因表达进行了空间分析,发现C4和CAM活性是完全整合的。它们在相同的细胞中运作,CAM反应的产物通过C4途径处理。这个系统在干旱时期为C4植物提供了不同寻常的保护。

研究人员还建立了代谢通量模型,预测了综合C4+CAM系统的出现,该系统反映了他们的实验结果。研究人员说,了解这一新的代谢途径可以帮助科学家设计出新的方法来改造玉米等作物,以帮助它们抵御长时间的干旱。

爱德华兹认为:“这是一种非常罕见的性状组合,创造出一种‘超级植物’,有望应用于作物工程等领域”。同时, 他也强调,“在玉米等C4作物中引入CAM循环,在这成为现实之前还有很多工作要做。但我们已经表明,这两种途径可以有效整合,共享产品。C4和CAM比我们想象的更兼容,这让我们怀疑还有更多C4+CAM物种,等待被发现。”

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