装有深海海洋样本的瓶子被拖回水面。图片来源:安妮·德卡斯Anne Dekas

Ula Chrobak

斯坦福大学的研究人员发现了一组具有两种形式的RuBisCo酶的蓝细菌，这种酶可能有利于低氧海水中的生命。如果这种复合酶被证明是有益的，它可能在农业上有应用。“这是一个很好的科学例子，你出去寻找一种东西，但最终你会发现其他更好的东西，”斯坦福多尔可持续发展学院地球系统科学助理教授安妮·德卡斯说，她也是11月25日《美国国家科学院院刊》研究报告的高级作者。

几十亿年前，远在植物出现之前，蓝细菌就发明了有氧光合作用。在从二氧化碳和阳光生产食物的过程中，广泛分布的微生物向空气中释放氧气，使我们星球的大气层适合今天地球上的各种生命。“蓝细菌可以说是地球上最重要的生命形式，”Dekas说。"他们给地球的大气层供氧，并创造了一场生物学革命."

像植物一样，蓝细菌使用一种叫做二磷酸核酮糖羧化酶(RuBisCo)的酶，将二氧化碳转化为生物质。RuBisCo是自然界中最丰富的蛋白质之一，有几种形式:最常见的类型是I型RuBisCo，通常使用一种称为羧基体的结构来选择性地与二氧化碳而不是氧气反应，从而使光合作用有效进行。具有一种不太常见的酶类型的生物，称为II型，缺乏羧基体，可以在缺氧的环境中有效地从二氧化碳中建立生物量。

通常，生物体只有一种形式的RuBisCo，首席作者亚历克斯·贾菲Alex Jaffe说，他是地球系统科学的博士后学者。因此，当他在研究海洋微生物的固碳作用时，意外发现了一个例外，他感到很惊讶。Jaffe正在分析从中美洲和南美洲海岸的深水中收集的海水样本的DNA，这时他注意到一些浅水DNA样本意外地溜了进来。他发现这些样本中的蓝细菌似乎具有两种RuBisCo形式的基因。“我最初的反应是这可能是错误的，”Jaffe说。

进一步的研究证实，这两种形式的酶都存在，并积极用于浅水中蓝藻的光合作用，尽管需要额外的测试来了解蓝藻如何使用这两种形式。“拥有两个版本，”Jaffe说，“与只有一个版本相比，它可能允许你从水中去除更多的二氧化碳，或者可能更有效地做到这一点。”

效率可能是样本来源的生存关键，在地表下大约50到150米的氧气最少区域，那里氧气和光线都很短缺。“在那里生活很难，”德卡说。"对于一个光合生物来说，当光线不足时，你就没有多少能量."

这些发现可能有助于科学家预测，随着气候变化扩大低氧区，海洋固碳能力可能会发生怎样的变化。一些蓝细菌具有两种形式的RuBisCo的发现表明，它们可能比以前理解的更有效地储存碳，并可以随着氧气最小区域的扩大而增殖。

如果两个RuBisCos事实上比一个更好，这一发现也可能导致更有效的作物生产。几十年来，研究人员一直试图改造I型RuBisCo，使作物在更少的肥料和水的情况下生长更多。“我们期待着与植物工程方面的工作人员继续思考这个问题，看看它是否可能产生一些成果，无论是字面上还是隐喻上，”Jaffe说。