综述：植物如何在大气CO2浓度升高背景下维持蛋白质稳态

《Plant, Cell & Environment》：How Plants May Maintain Protein Homeostasis Under Rising Atmospheric CO2

这篇综述深入探讨了C3植物应对大气CO2浓度升高的生理机制，重点阐述了三种可能帮助植物维持蛋白质稳态的策略：增加对铵态氮（NH4+）的利用、将硝酸盐（NO3–）同化部分地从地上部转移到根部、以及提高叶绿体中锰（Mn2+）与镁（Mg2+）的比率以激活一个涉及Rubisco和苹果酸酶的新型生化循环（Bloom循环），该循环协调了光呼吸、氮硫代谢和碳固定，从而在CO2富集环境下改善能量效率并稳定蛋白质含量。

　　

1 引言

全球大气CO₂浓度自工业革命以来持续上升，预计本世纪末将达到450至1130 ppm。当CO₂浓度超过550 ppm时，多数维管植物会表现出碳固定增加、光呼吸受抑制、叶片蛋白质和氮浓度下降以及碳氮比（C/N）增加等现象。值得注意的是，地球大气CO₂浓度在过去1400多万年间一直低于550 ppm。面对这一数十万年未遇的高CO₂环境，植物如何维持其蛋白质稳态，对于全球粮食安全至关重要，因为小麦和水稻等C₃作物提供了人类膳食中大量的热量和蛋白质。观察发现，在一些田间试验中，作物似乎通过牺牲部分产量来维持籽粒蛋白质含量和种子活力，这表明植物体内存在应对CO₂升高的生理适应机制。

2 植物在中等幅度大气CO₂波动下维持蛋白质稳态的可能机制

2.1 机制一：以铵态氮（NH₄⁺）替代硝酸盐（NO₃^–）作为氮源

氮是植物需求量巨大的必需元素。在气候变化背景下，土壤氮有效性将日益成为初级生产力的限制因子。与利用NH₄⁺相比，同化NO₃^–需要消耗更多能量。然而，在土壤中，微生物对有机氮和NH₄⁺的竞争远强于植物，使得NO₃^–成为许多地区陆生植物的主要氮源。研究表明，CO₂浓度升高可能通过促进植物生长和反硝化作用消耗土壤中的NO₃^–，从而增加NH₄⁺的相对有效性。那些在环境CO₂下更偏好NH₄⁺的小麦基因型，在高CO₂环境下能更好地维持生物量和籽粒氮浓度。此外，植物根系分泌的化合物可以抑制硝化细菌生长（生物硝化抑制，BNI），从而增加根际NH₄⁺的有效性。因此，选育具有较高BNI能力和较强NH₄⁺耐性的基因型，可能有助于植物适应未来高CO₂环境。

2.2 机制二：将部分NO₃^–同化从地上部转移至根部

多种独立研究方法（如NO₃^–消耗法、¹⁴N标记法、组织氮组分分析、¹⁵N同位素分馏法）证实，CO₂浓度升高会抑制地上部的NO₃^–同化，但会刺激根部的NO₃^–同化。光呼吸为地上部的NO₃^–同化提供还原力。当高CO₂抑制光呼吸时，地上部NO₃^–同化受阻，但碳固定增强，导致更多的碳水化合物被转运至根部。根部呼吸这些碳水化合物产生的能量则用于增强根部的NO₃^–同化，从而部分补偿了地上部同化作用的下降。基因表达分析也表明，CO₂浓度升高对根部基因表达的影响远大于地上部。

2.3 机制三：提高质体中Mn²⁺相对于Mg²⁺的比率

大约一半的酶需要金属辅因子才能发挥催化功能。镁（Mg²⁺）和锰（Mn²⁺）具有相似的物理化学性质，但Mn²⁺因其d轨道电子而更易参与氧化还原反应。Rubisco是光合作用的关键酶，其Form I型（存在于C₃植物中）对Mn²⁺的亲和力远高于Mg²⁺。研究发现，当Rubisco与Mn²⁺结合时，其固碳特异性（S_c/o）降低，即固碳作用减弱，加氧作用（引发光呼吸）增强。CO₂浓度升高会导致叶片Mg²⁺浓度下降，而Mn²⁺浓度变化不显著，从而提高了叶绿体中[Mn²⁺]/[Mg²⁺]的比率。这种金属辅因子的转换会促进一个此前未被识别的生化循环（Bloom循环），该循环涉及Rubisco催化RuBP加氧生成丙酮酸，以及随后质体苹果酸酶（NADP-ME）利用光呼吸和磷酸戊糖途径产生的还原力（NADPH）和CO₂将丙酮酸羧化生成苹果酸。与传统的生成磷酸丙糖的光呼吸途径相比，生成苹果酸的Bloom循环在热力学上更有利。苹果酸作为一种稳定的还原力载体，可在细胞不同区室间转移，为硝酸盐同化和氨基酸合成提供还原力，从而协调碳氮代谢。

3 质体有机酸的另一个可能来源

苹果酸是植物中重要的还原力载体。经典的¹⁴CO₂标记实验表明，3-磷酸甘油酸（3PGA）和苹果酸可能源于两个独立的羧化反应。新的检测方法揭示，Rubisco在催化RuBP加氧时能产生相当数量的丙酮酸，尤其是在与Mn²⁺结合且光呼吸受激的条件下。质体苹果酸酶（Arab-ME4）的活性也受金属辅因子影响，与Mg²⁺结合时更倾向于催化苹果酸氧化脱羧，而与Mn²⁺结合时则更倾向于催化丙酮酸还原羧化生成苹果酸。这为Bloom循环的存在提供了酶学证据。

4 一种可能在质体中生成苹果酸的生化途径（即Bloom循环）

综合上述证据，提出了一个由Mn²⁺驱动的、此前未被识别的光呼吸支路——Bloom循环。该循环包括：（1）Rubisco（结合Mn²⁺）催化RuBP加氧生成丙酮酸；（2）6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶（6PGDH）脱羧产生Ru5P、CO₂和NADPH；（3）质体苹果酸酶（结合Mn²⁺）利用(2)中的CO₂和NADPH将(1)中的丙酮酸羧化生成苹果酸；（4）磷酸核酮糖激酶（PRK）将Ru5P再生为RuBP。该循环的总反应是RuBP + 6-磷酸葡萄糖酸（6PG） + O₂→ RuBP + 乙醇酸 + 苹果酸。其巨大的平衡常数表明该循环在热力学上非常有利。该循环之所以长期未被发现，是因为传统的¹³C代谢流分析难以快速标记源自RuBP而非大气CO₂的丙酮酸和苹果酸碳架，且过去几十年的体外酶学实验多使用EDTA等螯合剂去除Mn²⁺而改用Mg²⁺，从而掩盖了Mn²⁺的关键作用。从进化角度看，Form I型Rubisco对Mn²⁺的高亲和力及其与Bloom循环的协同，可能是在大氧化事件后地表Mn²⁺有效性增加的背景下演化出来的适应性特征，它使C₃植物能通过调节质体[Mn²⁺]/[Mg²⁺]比率来平衡碳固定、光呼吸和氮同化，从而在多变CO₂环境中保持竞争优势。对长期暴露于高CO₂的植物生态型的研究发现，其Rubisco在与Mn²⁺结合时动力学参数变化更大，暗示小亚基可能在此调控中起作用。

5 结论

本文为一些基本问题提供了新的答案：大氧化事件可能与Mn²⁺有效性增加及Form I型Rubisco（对Mn²⁺高亲和）的演化有关；植物利用NO₃^–是微生物竞争下的结果，并在低CO₂下可与碳固定共享光还原力；C₃植物的优势可能源于其光呼吸能通过Bloom循环高效产生苹果酸，为氮同化等过程提供还原力；Rubisco小亚基可能增强酶对Mn²⁺的亲和力。逐步适度增加的CO₂对植物蛋白质含量影响可能不大，但大幅快速升高可能导致蛋白质含量下降。未来通过理解并利用这些金属辅助因子调控的机制，有望在提高作物产量的同时，保障粮食的营养品质。