古细菌促进光合作用

光合作用是植物和一些细菌利用水、二氧化碳和阳光中的能量来生产糖来养活自己的过程，同时释放出氧气作为副产品。在植物中，这一过程发生在叶片中称为叶绿体的结构中，叶绿体中含有绿色物质叶绿素。但是叶绿素植物只能捕获光谱的一部分，这意味着一些光被浪费了。然而，某些古老的微生物——被称为蓝藻——有一种不同形式的叶绿素，可以收集这些光，并将其放入现代植物中，可能会使它们生长得更有效。康妮·奥巴赫采访了宾夕法尼亚州立大学的唐纳德·布莱恩特，听听他是如何……

唐纳德-蓝藻是一组光合细菌，像高等植物一样从水中制造氧气。它们是在高等植物中产生叶绿体的生物，今天它们仍然是所有光合细菌中最成功的。一些蓝藻有能力在远红光下生长。它们的波长更长，能量比我们肉眼所能看到的要低，并且利用光能来驱动水的氧化和氧气的释放。所以，它们有能力做一些植物目前做不到的事情，并且以一种对它们有益的方式来做。

康妮:所以，植物只利用可见光谱。对吗?

唐纳德:是的，大体上是正确的。它们利用蓝光和红光，即可见光谱，而目前，植物对比这些波长长或短的任何波长的利用效率都很低。因此，植物分子生物学的目标之一就是增加光的利用。实现这一目标的一种方法是将利用远红光的能力引入植物。

康妮:那么，蓝藻是如何利用这部分光线的呢?嗯，它们使用一种特殊类型的叶绿素，这种分子可以捕获和吸收阳光。这就是叶绿素F，它可以吸收远红光。但唐纳德和他的团队现在发现的，让我们在实际利用这一惊人特性方面更进一步的是制造它所需的酶，叶绿素F合成酶。

Donald -我们通过在蓝藻细菌中进行突变来确定候选基因，这些基因可以进行远红光光合作用，并期望如果我们找到正确的基因，它们将不会合成叶绿素F，并且它们将无法在远红光下生长。我们在两个不同的生物体中发现了具有这些特性的基因，然后将该基因在通常不能在远红光下生长的蓝藻中表达出来，使该生物体能够合成叶绿素F，明确证实了我们发现的负责制造叶绿素F合酶的基因。

康妮:所以，就像这个基因一样简单的东西会赋予另一种植物产生叶绿素F的能力。

Donald:这是一种简单的单基因产物，它的优点之一就是在植物中产生叶绿素F相对简单。这些植物是否能够有效地利用所产生的叶绿素F是需要研究和调整的。但是，制造叶绿素应该没有那么困难。

康妮-如果你能让这个基因在高等植物中发挥作用，达到它们可以利用它的程度，然后它们可以利用远红光，就我们在全球范围内种植植物而言，这将会产生什么样的不同?这到底能带来多大的不同?

唐纳德:这个问题问得好。在700到800纳米之间，也就是被叶绿素F吸收的区域，可用的光量约占可见光的25%。因此，从原则上讲，它将为植物的生长增加大约25%的可用光。所以，我认为潜力是巨大的。