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干燥的条件可能有助于一种新型植物在地球上获得立足点

生物化学和古气候模拟显示,当大气二氧化碳仍然相当高,大约3千万年前,当今几种重要作物物种中存在称为C4的新光合途径的植物出现。根据宾夕法尼亚大学生物学家领导的团队,包括研究生周浩然在内,水资源的限制,而不是二氧化碳,推动了它的初始传播。

在古代地球急剧变化的条件下,有机体必须发展新的战略才能跟上。从大约3000万年前的渐新世中期到大约500万年前的中新世中期,大气中的二氧化碳浓度下降了大约三分之一。同一时期,在C4植物的一部分植物中出现了一种新的光合作用形式。存在于植物子集中的C4途径补充了早期的C3光合途径,这意味着这些物种现在使用两种不同的策略从太阳获得能量。长期以来,研究人员一直认为,二氧化碳水平的下降推动了这项创新的植物起源,但是在美国国家科学院院刊的一项新研究中,该研究基于由宾夕法尼亚大学生物学家领导的一个小组进行的生化模拟,以及一个由古代气候模拟的研究。普渡大学的研究小组表示,水的供应可能是C4植物出现的关键因素。

“大气二氧化碳仍然非常高的C4的最初起源似乎是由水限制驱动的,”艺术与科学学院生物系学院的研究生,该论文的第一作者Haoran Zhou说。“然后,大约在5到8百万年前,C4草原大量扩张。这是因为二氧化碳越来越低。二氧化碳和光照强度实际上是当时有利于C4的限制因素。”

“我们展示的是什么,”宾夕法尼亚大学生物学助理教授ErolAkçay说,“C4通道的水效率提高足以使其在相对干旱的环境中具有初步的生态优势。这就是做这种类型的好处生理模型。如果你只看温度和二氧化碳,你可能会错过水和光这个角色。“

研究人员的工作还表明,即使在渐新世晚期大气中的二氧化碳含量相对较高,C4植物也可能​​比C3植物具有竞争优势。“推论是C4可能比我们之前想象的更早进化,”宾夕法尼亚大学生物学副教授Brent Helliker说道,他和Akçay一起担任周的顾问。“这支持了C4进化的一些分子钟估计。”

在具有C3光合作用途径的植物中,光合作用中产生的第一种稳定化合物含有三个碳原子;在C4植物中,第一种化合物具有四个碳原子。C3途径首先进化,当大气中富含二氧化碳时,它有效地发挥作用。然而,C4植物独立于C3植物进化了数十倍,尽管碳含量较低,但能够有效地进行光合作用,这要归功于该过程中的额外步骤,该过程用于将碳从空气泵入内部细胞层,其余部分由循环运行。通过运行这种“封闭”系统,其中光合机械不直接与外部空气相互作用,C4光合作用使植物能够以比C3途径更少的水分损失制造更多的食物。

今天,地球上大约四分之一的植被覆盖由C4植物组成。几种重要的作物物种,包括玉米和甘蔗,都拥有C4途径。化石记录和同位素研究的结果有助于科学家们估计这种途径何时进化,尽管这些估计值比各种植物物种的系统发育分析所提出的分子钟数据所暗示的要晚,导致对途径何时出现及何时出现一些混淆。在某些生态系统中占主导地位。

为了仔细研究可能有利于C4光合作用途径传播的因素,Zhou,Akçay和Helliker创造了一个多层次的模型。他们考虑了影响光合作用的变量以及影响水力系统的变量,其中植物“决定”将更多的能量投入到生长的根中以吸收水分,或者建造更多可以帮助吸收光和二氧化碳的叶子物质但是也使他们暴露在更大的水分中。此外,植物可以确定碳增益和水分流失的最佳平衡。结合这两个系统,科学家的模型包括四个可能有利于C3或C4谱系的因素:二氧化碳浓度,光照,温度和水的可用性。

根据他们的模型,C4演化似乎分两个阶段发挥作用。当二氧化碳仍然很高时,C4出现在地球上变得更加温暖和干燥的地区。但直到几百万年后,二氧化碳非常低并且草原的扩张提供了充足光线的开放栖息地,它并没有比C3植物更具竞争优势。在这些地区,C4草原扩大并取代了C3草原。

为了了解该模型在C4植物早期如何与古气候相互作用,宾夕法尼亚大学团队与普渡大学的马修·胡贝尔合作,他是由国家科学基金会资助的古气候建模师,以模拟中新世气候,以及研究生阿什利·迪克斯。利用气候模型输出和古气候数据,包括二氧化碳水平,温度和降雨量,研究人员预测了C3和C4植物在渐新世晚期到中新世早期(大约3000万到500万年前)的可能地理分布。他们发现了两个以前没有被确定过的区域,由于它们的用水效率,C4植物在第一次进化后可能会占据主导地位:非洲西北部和澳大利亚。

“这是世界上两个以前未被认识到的口袋,其中C4植物可以具有生态优势并真正接管,”Akçay说。“这是一个非常令人兴奋的机会,”Huber说,“当Penn小组向我们伸出手,因为这是古气候模型输出的一个非常新颖的应用。它有助于将气候模型告诉我们过去和未来的气候和来自地质记录的可验证模式。“

虽然该研究没有调查未来可能会发生什么,因为大气碳水平再次上升,它可以帮助提高对植物分配方式的理解,以及它们对未来条件的反应。“当C4进化时出现的气候条件今天可能仍然很重要,”Helliker说。“如果C4植物的谱系主要由于二氧化碳含量高的水限制而进化,那么这些植物今天可能会在干燥的环境中被发现,而如果更多的二氧化碳导致它们的进化和优势,则可能会发现这些植物今天在潮湿的地方。“

此外,一些科学家认为,设计其他具有农业意义的物种,如水稻,进行C4光合作用,可能有助于提高粮食产量,因此该模型可以帮助预测这些植物能够最佳生长的地方。该研究得到了宾夕法尼亚大学的支持。Huber和Dicks也得到了美国国家科学基金会P2C2计划的支持。

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