MSU的研究人员正在研究Cyanidioschyzon merolae及其在其他生物不可能进行光合作用的环境中进行自身食物光合作用的独特能力。

卡拉·海德利Kara Headley

意大利的菲莱格雷安Phlegraean油田乃是火山活动的热点所在——此乃一处充斥着酸性温泉且持续变幻的景观。这一庞大的火山口隶属于坎帕尼亚火山弧，其中涵盖维苏威火山，其在公元 79 年的爆发致使罗马城市庞贝毁于一旦。然而，即便处于这般恶劣且炽热的环境条件之下，仍有部分微生物蓬勃生长。密歇根州立大学的研究人员渴盼揭示有关一种特殊藻类在如此极端状况下生存的全新信息。

在《植物生理学》杂志上发表的一篇新论文中，MSU-能源部植物研究实验室和沃克实验室的研究人员与植物生物学系的沙迦-希尔实验室合作，正在研究Cyanidioschyzon merolae，或C. merolae，以及它在其他生物不可能进行光合作用的环境中进行光合作用的独特能力。了解C. merolae如何在如此极端的条件下运作，可以帮助科学家更好地推断或改进光合作用的过程，光合作用对地球上的所有生命都至关重要。

“科学只是描述了大自然如何以不同的方式应对同样的挑战的一小部分，”这项研究的首席研究员伯克利·沃克Berkley Walker说。这篇论文“很好地确定了我们通常看到的做事方式并不是必须要做的。”

这项研究着眼于C. merolae的碳富集机制，或CCM。许多光合生物使用CCM来提高光合作用的效率。CCM作为一种运输驱动力，吸收二氧化碳并将其放置在可以得到最佳利用的地方。

目前，CCM在植物中得到很好的理解，但仅在少数藻类物种中得到很好的表征。“C. merolae是一种非常简单的有机体，所以它不具备人们通常与碳富集机制如何工作联系在一起的所有结构和能力，”植物生物学和分子植物科学研究生项目系的研究生Anne Steensma说。她是这项研究的第一作者之一。“我们的论文指出了建立碳富集机制所需的……基本特征。”

显微镜下看到的Cyanidioschyzon merolae。鸣谢:安妮·斯廷斯玛Anne Steensma

通过与MSU统计和概率部门的合作者一起工作，研究人员设计了模拟C. merolae的数学模型。大量的努力投入到设计和改进这种藻类模型中，这样研究人员可以在进一步的研究中继续使用它。

“这项研究中的一个大挑战是如何弄清楚我们插入模型的许多不同参数是如何相互作用的，”与Steensma共同撰写本文的第一作者Joshua Kaste说。“这使得我们与统计部门的宋志立博士和朱诺·赫Dr. Chih-Li Sung and Junoh Heo的合作变得至关重要。”

为了创建这个模型，研究人员输入了一些数据，这些数据将使该模型能够像现实生活中的C. merolae细胞一样，或者尽可能接近它。这有点像给演员一个剧本:你知道演员会说的话，但不知道他们表演的每一个细节。研究人员最了解的CCM组件是脚本，对计算机进行编码，以尽可能准确地创建一个机制模型。

有了这个模型，研究人员可以输入新的条件来观察藻类可能会如何反应。例如，他们可以移除模型的某些部分，看看它是否破坏了CCM的功能。这可以帮助研究人员缩小海藻中对CCM至关重要的部分。

“这向我们展示了设计碳富集机制的‘最小途径’，”沃克说，他也是植物研究实验室和植物生物系的副教授。“另一种看待它的方式是，也许我们可以改善C. merolae的这种简单的碳富集系统，并在它生活的极端环境下实现更大的增长。”

这项研究由美国能源部基础能源科学办公室化学科学、地球科学和生物科学部资助(批准号DE-FG02-91ER20021)。额外的资金来自美国能源部(授权号DE-SC0018269)、美国国立卫生研究院普通医学科学国家研究所、美国国家科学基金会研究培训计划和美国国家科学基金会。