普通杂草可能是“超级植物”，是抗旱作物的关键

诸平

Fig. 1 Portulaca oleracea, an edible plant grown almost any where in the United States. Blooms yellow, small flowers. Credit: ZooFari/Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

马齿苋（Portulaca oleracea）(Fig. 1)，为石竹目、马齿苋科一年生草本。

植物全株无毛，茎平卧，伏地铺散，枝淡绿色或带暗红色。叶互生，叶片扁平，肥厚，似马齿状，上面暗绿色，下面淡绿色或带暗红色；叶柄粗短。花无梗，午时盛开；苞片叶状；萼片绿色，盔形；花瓣黄色，倒卵形；雄蕊花药黄色；子房无毛。蒴果卵球形；种子细小，偏斜球形，黑褐色，有光泽。花期5-8月，果期6-9月。

中国南北各地均产。性喜肥沃土壤，耐旱亦耐涝，生命力强，生于菜园、农田、路旁，为田间常见杂草。广布全世界温带和热带地区。

全草供药用，有清热利湿、解毒消肿、消炎、止渴、利尿作用；种子明目；还可作兽药和农药；嫩茎叶可作蔬菜，味酸，也是很好的饲料。

据美国耶鲁大学（Yale University）2022年8月5日报道，普通杂草可能是“超级植物”，是抗旱作物的关键（Common weed may be 'super plant' that holds key to drought-resistant crops）。这种普通杂草就是马齿苋（Portulaca oleracea）。它是美国几乎任何地方都能生长的一种食用植物，在中国马齿苋也是到处可见。正是这种常见的杂草为如何在气候变化困扰的世界上种植抗旱作物提供了重要线索。2022年8月5日，耶鲁大学科学家领导的一个来自美国、中国以及新加坡的研究人员组成的团队，在《科学进展》（ Science Advances）杂志网站上报道了他们的最新研究结果——Jose J. Moreno-Villena, Haoran Zhou, Ian S. Gilman, S. Lori Tausta, C. Y. Maurice Cheung, Erika J. Edwards. Spatial resolution of an integrated C₄+CAM photosynthetic metabolism. Science Advances, 5 Aug 2022, 8(31). DOI: 10.1126/sciadv.abn2349. http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn2349

参与此项研究的有来自美国耶鲁大学、中国天津大学（Tianjin University, Tianjin 300072, China）、耶鲁-新加坡国立大学学院（Yale-NUS College, Singapore）的研究人员。他们在此论文中描述了马齿苋（Portulaca oleracea or purslane）如何整合两种不同的代谢途径，创造出一种新型的光合作用（photosynthesis），使杂草能够耐旱（endure drought），同时保持高产。

耶鲁大学生态学和进化生物学（evolutionary biology）教授、该论文资深作者埃里卡·爱德华兹（Erika Edwards）说：“这是一种非常罕见的性状组合（very rare combination of traits），创造了一种‘超级植物’（'super plant'）——可能在作物工程等领域有用。”

植物已经独立进化出各种不同的机制来提高光合作用，绿色植物（green plants）利用阳光从二氧化碳和水中合成养分的过程。例如，玉米（corn）和甘蔗（sugarcane）进化出了所谓的C₄光合作用（C₄ photosynthesis），这使植物在高温下保持生产力。仙人掌（cacti）和龙舌兰（agaves）等肉质植物还具有另一种叫做CAM光合作用（CAM photosynthesis）的类型，这有助于它们在沙漠和其他缺水地区生存。C₄和CAM具有不同的功能，但吸收相同的生化途径作为常规光合作用的“附加物”。

马齿苋的独特之处在于，它具有这两种进化适应能力，这使得它既能高产又能耐旱，这对植物来说是不太可能的组合。大多数科学家认为C₄和CAM在马齿苋的叶子内独立运作。

但是，由共同通讯作者和博士后约瑟·莫雷诺·比列纳（Jose Moreno Villena）和周浩然（Haoran Zhou）领导的研究团队对马齿苋叶片内的基因表达进行了空间分析，发现C₄和CAM活性完全整合。它们在相同的细胞中运作，CAM反应的产物通过C₄途径进行处理。该系统在干旱时为C₄植物提供了不同寻常的保护水平。

研究人员还建立了代谢通量模型（metabolic flux models），预测了一个完整的C₄+CAM系统的出现，这反映了他们的实验结果。

作者指出，了解这种新的代谢途径有助于科学家设计出新的方法来改造玉米等作物，以帮助抵御长期干旱。

埃里卡·爱德华兹说：“在将CAM循环转化为C₄作物如玉米（maize）方面，在这可能成为现实之前，还有很多工作要做。但我们已经证明，这两种途径可以有效整合并共享产品。C₄和CAM的兼容性比我们想象的要高，这让我们怀疑，还有更多的C₄+CAM物种等待发现。”

这项工作由美国国家科学基金会资助(National Science Foundation: IOS-1754662)也得到了美国国家海洋和大气管理局气候与全球变化博士后奖学金项目资助（National Oceanic and Atmospheric Administration: NA18NWS4620043B）。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Pineapple genome offers insight into photosynthesis in drought-tolerant plants

Abstract

C₄ and CAM photosynthesis have repeatedly evolved in plants over the past 30 million years. Because both repurpose the same set of enzymes but differ in their spatial and temporal deployment, they have long been considered as distinct and incompatible adaptations. Portulaca contains multiple C₄ species that perform CAM when droughted. Spatially explicit analyses of gene expression reveal that C₄ and CAM systems are completely integrated in Portulaca oleracea, with CAM and C₄ carbon fixation occurring in the same cells and CAM-generated metabolites likely incorporated directly into the C₄ cycle. Flux balance analysis corroborates the gene expression findings and predicts an integrated C₄+CAM system under drought. This first spatially explicit description of a C₄+CAM photosynthetic metabolism presents a potential new blueprint for crop improvement.