摘要：

• 在雜志上發(fā)表的一篇新論文中，密歇根州立大學(xué)的研究人員表示，大氣中碳的增加可能會(huì)影響植物產(chǎn)生蛋白質(zhì)和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的方式。
  

• 研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致全球變暖的二氧化碳水平升高會(huì)影響植物代謝碳的方式，包括已知的生成氨基酸的過(guò)程，而氨基酸是蛋白質(zhì)的組成部分。

• 盡管還需要做更多的工作來(lái)了解對(duì)植物蛋白質(zhì)含量的最終影響，但研究人員已經(jīng)引入了一種新方法來(lái)探測(cè)變化環(huán)境下的植物代謝。

密歇根州東蘭辛密歇根州立大學(xué)研究人員的一項(xiàng)新研究強(qiáng)調(diào)，隨著更多的碳進(jìn)入我們的大氣，關(guān)于植物的功能以及它們的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，我們還有很多東西要學(xué)習(xí)。

同樣的碳流入正在推動(dòng)氣候變化，這意味著這項(xiàng)的新工作也許揭示了這一全球現(xiàn)象正在以一種意想不到的方式重塑自然和我們的生活。

“我們看到的是，氣候變化和營(yíng)養(yǎng)之間存在聯(lián)系，”植物生物系助理教授伯克利·沃克(Berkley Walker)說(shuō)，他的研究團(tuán)隊(duì)撰寫(xiě)了這份新報(bào)告。“這是我們一開(kāi)始不知道會(huì)調(diào)查的事情?！?/p>

盡管二氧化碳水平的升高對(duì)光合作用有好處，但沃克和他的實(shí)驗(yàn)室還表明，二氧化碳水平的升高會(huì)影響植物的其他代謝過(guò)程。這些鮮為人知的過(guò)程可能會(huì)對(duì)蛋白質(zhì)生產(chǎn)等其他功能產(chǎn)生影響。

“植物喜歡二氧化碳。如果你給它們更多的水，它們就會(huì)生產(chǎn)更多的食物，它們就會(huì)長(zhǎng)得更大，”沃克說(shuō)，他在自然科學(xué)學(xué)院和密歇根州立大學(xué)能源植物研究實(shí)驗(yàn)室工作。“但如果你得到的是一種更大、蛋白質(zhì)含量更低的植物呢?實(shí)際上，它的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值會(huì)更低。”

現(xiàn)在確定植物是否面臨低蛋白質(zhì)的未來(lái)還為時(shí)過(guò)早。但這項(xiàng)新研究提出了令人驚訝的問(wèn)題:當(dāng)周?chē)懈喽趸紩r(shí)，植物將如何制造和代謝氨基酸——蛋白質(zhì)的組成部分。

該報(bào)告的第一作者、博士后學(xué)者傅新宇說(shuō)，我們現(xiàn)在越努力解決這些問(wèn)題，我們面對(duì)未來(lái)的準(zhǔn)備就越充分。

“我們對(duì)植物在波動(dòng)環(huán)境下如何使用不同的代謝途徑了解得越多，我們就能更好地找到控制代謝流的方法，并最終設(shè)計(jì)出更高效和更有營(yíng)養(yǎng)的植物”。

如果一開(kāi)始植物沒(méi)有成功，就會(huì)產(chǎn)生光呼吸作用  

光合作用的基本原理非常簡(jiǎn)單:植物從周?chē)h(huán)境中吸收水分和二氧化碳，利用太陽(yáng)光的能量，將這些成分轉(zhuǎn)化為糖和氧氣。

但有時(shí)這個(gè)過(guò)程一開(kāi)始就不太順利。負(fù)責(zé)收集二氧化碳的酶可以抓住氧分子。

沃克說(shuō)，這會(huì)產(chǎn)生一種副產(chǎn)物，如果不加以控制，基本上會(huì)使工廠窒息。然而，值得慶幸的是，植物已經(jīng)進(jìn)化出了一種叫做光呼吸的過(guò)程，可以清除有害的副產(chǎn)物，讓酶在光合作用中再次發(fā)揮作用。

光呼吸不像光合作用那么有名，它有時(shí)名聲不好，因?yàn)樗加昧丝梢杂脕?lái)制造食物的碳和能量。盡管光呼吸的效率可能很低，但它比另一種方法要好。

“這有點(diǎn)像回收，”沃克說(shuō)?！叭绻覀儾恍枰?，那就太好了，但只要我們?cè)诋a(chǎn)生廢物，我們還不如利用它?！?/p>

為了完成它的工作，光呼吸將碳合并到其他分子或代謝物中，其中一些是氨基酸，蛋白質(zhì)的前體。

“所以光呼吸不僅僅是循環(huán)，它可能是升級(jí)循環(huán)，”沃克說(shuō)。

沃克在陳述中用“可能是”而不是“是”是有原因的。光呼吸仍有一些未解之謎，其代謝產(chǎn)物的命運(yùn)就是其中之一。

代謝偵查  

當(dāng)談到光呼吸作用產(chǎn)生的氨基酸在哪里結(jié)束時(shí)，一個(gè)既定的理論是它們保持在一個(gè)閉環(huán)中。這意味著在這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的代謝物被限制在一組精選的細(xì)胞器和生化過(guò)程中。

現(xiàn)在，密歇根州立大學(xué)的研究人員已經(jīng)證明，情況并非總是如此。特別是，他們已經(jīng)證明了氨基酸甘氨酸和絲氨酸能夠逃脫這個(gè)閉環(huán)的限制。

這些化合物最終會(huì)變成什么是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題，隨著二氧化碳水平的上升，這個(gè)問(wèn)題可能會(huì)變得越來(lái)越重要。

沃克說(shuō)，當(dāng)有更多的二氧化碳時(shí)，植物的光呼吸就會(huì)減少，所以科學(xué)家們需要更深入地研究植物是如何產(chǎn)生和利用這些氨基酸的。

不過(guò)，就目前而言，他和他的團(tuán)隊(duì)對(duì)他們的發(fā)現(xiàn)感到興奮，這不是一項(xiàng)微不足道的壯舉。它包括給植物喂食一種特殊類(lèi)型的二氧化碳，其中的碳原子比大氣中常見(jiàn)的碳原子多一個(gè)中子。

中子是一種亞原子粒子，因此它的質(zhì)量很小。如果你拿一個(gè)回形針，把它切成一萬(wàn)億塊，然后再把其中的一塊切成一萬(wàn)億塊，最小的一塊的質(zhì)量大約和一個(gè)中子的質(zhì)量相同。

但是密歇根州立大學(xué)的合作團(tuán)隊(duì)擁有測(cè)量這種細(xì)微質(zhì)量差異所需的工具和專(zhuān)業(yè)知識(shí)。這些測(cè)量，再加上計(jì)算建模，使研究人員能夠跟蹤這些稍微粗壯的碳，并了解當(dāng)條件有利于光呼吸時(shí)，植物是如何在不同的代謝階段整合碳的。

傅教授說(shuō):“這項(xiàng)新技術(shù)能夠更好、更定量地了解植物的重要代謝途徑?！薄巴ㄟ^(guò)新的通量方法，我們已經(jīng)開(kāi)始揭示代謝途徑的動(dòng)態(tài)狀態(tài)，并將代謝作為一個(gè)整體系統(tǒng)來(lái)理解?！?/p>

沃克于2018年加入密歇根州立大學(xué)，他說(shuō):“我說(shuō)我的實(shí)驗(yàn)室可以在我的工作申請(qǐng)中做到這一點(diǎn)，但我不完全確定它會(huì)起作用?！笔聦?shí)上，它確實(shí)起作用了，這是論文團(tuán)隊(duì)的功勞，該團(tuán)隊(duì)還包括研究生盧克·格雷戈里和研究助理教授肖恩·威斯。