探索宇宙奧秘 · 理性思考

C4植物的光合作用像一條精密的流水線。葉肉細胞負責(zé)捕捉CO?，并將其裝在一個叫做“四碳二羧酸”的分子“小車”上。這個小車需要通過葉綠體膜上的“收費站”，也就是DiT蛋白，才能將CO?運送到維管束鞘細胞，最終交給那個“又笨又慢但必不可少”的固碳酶——RuBisCO。

DiT1和DiT2就是兩個不同的收費站，它們放行的“車型”不同。過去幾十年，植物學(xué)家靠生理實驗推斷：DiT1主要放行蘋果酸、草酰乙酸等；而DiT2更寬容，還能讓谷氨酸這樣的氨基酸通過。但“為什么”是禁區(qū)。

更有趣的發(fā)現(xiàn)藏在進化里。DiT蛋白在動物體內(nèi)有個“親戚”，那個親戚需要鈉離子（Na?）幫忙才能工作。就像電梯需要電，動物蛋白需要鈉離子結(jié)合才能改變構(gòu)象，把“貨物”送進去。

但植物葉綠體周圍沒有高濃度鈉離子。那植物怎么辦？張鵬團隊的研究給出了精妙的答案：植物DiT蛋白在進化過程中，自己“山寨”了兩個帶正電的氨基酸，放在空間上恰好模擬了鈉離子的位置和靜電作用。這相當(dāng)于植物自己造了兩節(jié)“干電池”，取代了對“市電”（鈉離子）的依賴，實現(xiàn)了不依賴鈉離子的“電梯式轉(zhuǎn)運”。

這一手“移花接木”，展現(xiàn)了生命演化在分子層面的極致節(jié)儉與創(chuàng)造力。

研究團隊在追溯蛋白進化軌跡時，還發(fā)現(xiàn)了一個與植物登陸過程緊密相連的關(guān)鍵時刻。大約在4億多年前，當(dāng)植物的藻類祖先從水生環(huán)境向陸地進軍時，DiT1蛋白上一個不起眼的氨基酸發(fā)生了替換（丙氨酸變成了絲氨酸）。

這個微小的變化，意外地增強了DiT1對一種關(guān)鍵底物——草酰乙酸的結(jié)合能力。為什么要增強這個？

草酰乙酸/蘋果酸的穿梭，不僅參與C4光合，還承擔(dān)著一個更基礎(chǔ)的功能：“蘋果酸閥”。這個閥在高光強下負責(zé)將葉綠體中過剩的還原力“導(dǎo)出”去，避免產(chǎn)生過多的自由基，保護光合機器不被曬壞?？梢韵胂螅瑒倓偟顷懙闹参?，面臨的可是比水里強烈得多的陽光。這個氨基酸替換，就像給植物提前裝了一個更強的“過載保護器”，讓它們能在陸地上站穩(wěn)腳跟。

這個發(fā)現(xiàn)讓我們從分子層面理解了，為什么說C4光合作用是站在億萬年來植物不斷“打補丁”的基礎(chǔ)上演化出來的高級版本。

這個成果對我們意味著什么？這得提到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域一個被稱為“阿波羅計劃”的宏大目標(biāo)：把C4光合途徑“移植”到水稻這樣的C3作物中。如果成功，意味著可以用更少的水、更少的氮肥，產(chǎn)出更多的糧食。

過去，科學(xué)家嘗試直接把C4途徑的關(guān)鍵酶導(dǎo)入水稻，結(jié)果往往事與愿違，有時甚至導(dǎo)致減產(chǎn)。原因之一，就是我們對這個系統(tǒng)“組裝”的邏輯認識太淺。就像不知道收費站規(guī)則就亂修路，只會導(dǎo)致交通癱瘓。張鵬團隊這次對DiT1/2的解析，就是把“收費站”的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和收費邏輯徹底搞清楚了。這為下一步的“精準(zhǔn)施工”提供了直接的藍圖。

實際上，中國科學(xué)家在這一領(lǐng)域正在多點開花。就在過去一年，我們看到：

這些研究，有的在挖歷史，有的在找零件，有的在設(shè)計新圖紙。共同構(gòu)成了中國在這一基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的深度布局。我們不再只是跟著別人提出的概念跑，而是開始系統(tǒng)性地回答“C4為什么高效”這一核心問題，并基于自己的發(fā)現(xiàn)，提出改造C3作物的中國方案。

當(dāng)我們看清了億萬年前那個氨基酸的替換如何幫助植物征服陸地，我們也就更有底氣去預(yù)測，今天的哪一次分子層面的調(diào)整，能讓明天的水稻擁有玉米的效率。這就是科學(xué)探索的魅力：既要看得見當(dāng)下的毫厘，也要望得穿時空的萬里。