气候变化与植物代谢之间潜在的营养联系

摘要：

• 在杂志上发表的一篇新论文中，密歇根州立大学的研究人员表示，大气中碳的增加可能会影响植物产生蛋白质和其他营养物质的方式。
  

• 研究发现，导致全球变暖的二氧化碳水平升高会影响植物代谢碳的方式，包括已知的生成氨基酸的过程，而氨基酸是蛋白质的组成部分。

• 尽管还需要做更多的工作来了解对植物蛋白质含量的最终影响，但研究人员已经引入了一种新方法来探测变化环境下的植物代谢。

密歇根州东兰辛密歇根州立大学研究人员的一项新研究强调，随着更多的碳进入我们的大气，关于植物的功能以及它们的营养价值，我们还有很多东西要学习。

同样的碳流入正在推动气候变化，这意味着这项的新工作也许揭示了这一全球现象正在以一种意想不到的方式重塑自然和我们的生活。

“我们看到的是，气候变化和营养之间存在联系，”植物生物系助理教授伯克利·沃克(Berkley Walker)说，他的研究团队撰写了这份新报告。“这是我们一开始不知道会调查的事情。”

尽管二氧化碳水平的升高对光合作用有好处，但沃克和他的实验室还表明，二氧化碳水平的升高会影响植物的其他代谢过程。这些鲜为人知的过程可能会对蛋白质生产等其他功能产生影响。

“植物喜欢二氧化碳。如果你给它们更多的水，它们就会生产更多的食物，它们就会长得更大，”沃克说，他在自然科学学院和密歇根州立大学能源植物研究实验室工作。“但如果你得到的是一种更大、蛋白质含量更低的植物呢?实际上，它的营养价值会更低。”

现在确定植物是否面临低蛋白质的未来还为时过早。但这项新研究提出了令人惊讶的问题:当周围有更多二氧化碳时，植物将如何制造和代谢氨基酸——蛋白质的组成部分。

该报告的第一作者、博士后学者傅新宇说，我们现在越努力解决这些问题，我们面对未来的准备就越充分。

“我们对植物在波动环境下如何使用不同的代谢途径了解得越多，我们就能更好地找到控制代谢流的方法，并最终设计出更高效和更有营养的植物”。

如果一开始植物没有成功，就会产生光呼吸作用  

光合作用的基本原理非常简单:植物从周围环境中吸收水分和二氧化碳，利用太阳光的能量，将这些成分转化为糖和氧气。

但有时这个过程一开始就不太顺利。负责收集二氧化碳的酶可以抓住氧分子。

沃克说，这会产生一种副产物，如果不加以控制，基本上会使工厂窒息。然而，值得庆幸的是，植物已经进化出了一种叫做光呼吸的过程，可以清除有害的副产物，让酶在光合作用中再次发挥作用。

光呼吸不像光合作用那么有名，它有时名声不好，因为它占用了可以用来制造食物的碳和能量。尽管光呼吸的效率可能很低，但它比另一种方法要好。

“这有点像回收，”沃克说。“如果我们不需要它，那就太好了，但只要我们在产生废物，我们还不如利用它。”

为了完成它的工作，光呼吸将碳合并到其他分子或代谢物中，其中一些是氨基酸，蛋白质的前体。

“所以光呼吸不仅仅是循环，它可能是升级循环，”沃克说。

沃克在陈述中用“可能是”而不是“是”是有原因的。光呼吸仍有一些未解之谜，其代谢产物的命运就是其中之一。

代谢侦查  

当谈到光呼吸作用产生的氨基酸在哪里结束时，一个既定的理论是它们保持在一个闭环中。这意味着在这个过程中产生的代谢物被限制在一组精选的细胞器和生化过程中。

现在，密歇根州立大学的研究人员已经证明，情况并非总是如此。特别是，他们已经证明了氨基酸甘氨酸和丝氨酸能够逃脱这个闭环的限制。

这些化合物最终会变成什么是一个悬而未决的问题，随着二氧化碳水平的上升，这个问题可能会变得越来越重要。

沃克说，当有更多的二氧化碳时，植物的光呼吸就会减少，所以科学家们需要更深入地研究植物是如何产生和利用这些氨基酸的。

不过，就目前而言，他和他的团队对他们的发现感到兴奋，这不是一项微不足道的壮举。它包括给植物喂食一种特殊类型的二氧化碳，其中的碳原子比大气中常见的碳原子多一个中子。

中子是一种亚原子粒子，因此它的质量很小。如果你拿一个回形针，把它切成一万亿块，然后再把其中的一块切成一万亿块，最小的一块的质量大约和一个中子的质量相同。

但是密歇根州立大学的合作团队拥有测量这种细微质量差异所需的工具和专业知识。这些测量，再加上计算建模，使研究人员能够跟踪这些稍微粗壮的碳，并了解当条件有利于光呼吸时，植物是如何在不同的代谢阶段整合碳的。

傅教授说:“这项新技术能够更好、更定量地了解植物的重要代谢途径。”“通过新的通量方法，我们已经开始揭示代谢途径的动态状态，并将代谢作为一个整体系统来理解。”

沃克于2018年加入密歇根州立大学，他说:“我说我的实验室可以在我的工作申请中做到这一点，但我不完全确定它会起作用。”事实上，它确实起作用了，这是论文团队的功劳，该团队还包括研究生卢克·格雷戈里和研究助理教授肖恩·威斯。