產(chǎn)氧光合作用（Oxygenic Photosynthesis）是一種利用光能將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為葡萄糖和氧氣的反應(yīng)過程。該過程是地球和生命演化歷史上關(guān)鍵的里程碑事件，它導(dǎo)致了地球大氧化事件（The Great Oxidation Event，GOE），并根本性地改變了地球上生命進(jìn)化的軌跡。藍(lán)細(xì)菌是目前唯一能夠進(jìn)行產(chǎn)氧光合作用的原核生物，真核生物的光合作用能力被廣泛認(rèn)為是通過與藍(lán)細(xì)菌的內(nèi)共生所獲得。然而，藍(lán)細(xì)菌中光合作用的起源和進(jìn)化過程仍然是未解之謎。

該研究利用多組學(xué)技術(shù)，深入分析了來自中國滇藏地區(qū)熱泉沉積物中的36個藍(lán)細(xì)菌基因組，它們屬于兩個早期進(jìn)化的的藍(lán)細(xì)菌目：Thermostichales和Gloeomargaritales（圖1）。研究揭示了Thermostichales類群是已知的最古老的編碼關(guān)鍵類囊體膜合成蛋白Vipp1的藍(lán)細(xì)菌譜系，并表明了類囊體膜（產(chǎn)氧光合作用的發(fā)生場所）的進(jìn)化可能早于Thermostichales類群的分化（圖2）。除了產(chǎn)氧光合作用，研究還發(fā)現(xiàn)這些根部藍(lán)細(xì)菌具有將硫化物氧化與光合電子傳遞鏈耦合，進(jìn)行硫化物驅(qū)動的不產(chǎn)氧光合作用（Anoxygenic Photosynthesis）的潛力。出乎意料的是，這種不產(chǎn)氧光合作用能力似乎是通過水平基因轉(zhuǎn)移從后期演化的藍(lán)細(xì)菌類群中獲得的。其次，研究觀察到Thermostichales中存在兩種D1蛋白變體，表明其光系統(tǒng)具有功能靈活性，幫助它們在變化的氧化還原環(huán)境中生存。此外，這些熱泉生境的根部藍(lán)細(xì)菌都具有精簡的藻膽體結(jié)構(gòu)，偏好捕獲較長波長的光。最后，研究進(jìn)一步推測了根部藍(lán)細(xì)菌光合作用的進(jìn)化模型（圖3），探討了這些關(guān)鍵代謝的創(chuàng)新如何在地球歷史的早期階段促進(jìn)藍(lán)細(xì)菌的繁榮，并在地球早期氧氣積累和GOE的發(fā)生中發(fā)揮重要作用。

圖1. 藍(lán)細(xì)菌基因組系統(tǒng)發(fā)育分析

圖2. Vipp1/PspA家族蛋白分析

圖3. 藍(lán)細(xì)菌光合作用進(jìn)化模型示意圖

綜上所述，這項研究工作為我們理解藍(lán)細(xì)菌光合作用的起源和進(jìn)化提供了新的線索和視角。隨著對這些古老生物的深入研究，我們有望揭開更多關(guān)于地球生命起源和演化的秘密。

中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院特聘副研究員譚莎為論文第一作者，中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李文均教授和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)花正雙教授為共同通訊作者。中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后劉蘭，副研究員焦建宇，博士生李蒙蒙、胡超建、呂愛萍為共同作者。中山大學(xué)為該成果的第一完成單位。本課題研究得到了國家自然科學(xué)基金等項目的支持。

論文鏈接：https:///10.1093/molbev/msae151