热带树木夜间呼吸抗旱：CAM光合作用进化之谜破解

据科学日报（ScienceDaily）2026年9月23日报道，维也纳大学领导的国际研究团队在《自然·通讯》期刊发表论文，揭示了热带树木中一种高效节水光合作用——景天酸代谢（CAM）的多途径进化机制。研究发现，三种雨林植物（克鲁西亚属）并非通过单一进化事件获得CAM能力，而是经历远古基因组复制与数百万年遗传重塑，演化出强CAM、应激诱导CAM及混合型等多种策略。这一发现不仅破解了困扰植物学界200余年的光合作用谜题，也为培育耐旱作物提供了新思路。

200年前的科学谜题：洪堡观察到的反常现象

1800年前后，德国博物学家亚历山大·冯·洪堡在研究一种热带树木时发现，将叶片置于水中，即使在阳光下也不产生此前观察到的氧气气泡。这一反常现象背后隐藏着植物独特的日常节律：其气孔——通常白天吸收二氧化碳并释放氧气的微小孔隙——在白天保持关闭，以减少水分蒸发；相反，植物在夜间吸收二氧化碳，以苹果酸形式化学固定储存。这一策略即“CAM光合作用”（景天酸代谢），虽其机制早已明晰，但克鲁西亚属内CAM的进化路径及不同物种间的差异始终成谜。

三种克鲁西亚基因组深度比较

为探究进化机制，研究团队分析了三种具不同CAM表型的克鲁西亚物种：克鲁西亚玫瑰、克鲁西亚小、克鲁西亚大。研究人员结合分子数据与植物在真实环境条件下的生理测量，发现该属是唯一含有已知使用CAM的树木的类群，其光合策略从常规C3途径（日间吸碳）到强CAM，跨度极大。“这种多样性为研究植物光合作用模式转换提供了珍贵机会。”第一作者、维也纳大学分子系统生物学系研究者汉内斯·克拉姆尔表示。

基因组复制与重塑：CAM进化的核心驱动力

基因组分析显示，三种克鲁西亚均为古老多倍体——进化史中基因组曾整体倍增（多倍化），随后漫长时期内重组缩减（二倍化）。在此过程中，“基因拷贝可能丢失、失活或获得新功能”，克拉姆尔解释道。共同第一作者约翰内斯·赫佩尔补充：“与CAM夜间储碳相关的关键基因尤其受影响。”研究领导者沃尔夫拉姆·韦克韦斯指出：“基因组并非简单倍增，而是历经数千万年重组、缩减与功能重连。这种巨大可塑性解释了克鲁西亚属内CAM生理类型的多样性。”

不同物种的差异化CAM策略

研究人员在近似自然的温室条件下全天监测树木，并改变水分供应。结合生理指标、基因活性、蛋白质及代谢产物分析，三种物种展现出截然不同的适应方式。以下为对比：

这些生理差异与基因表达和代谢模式高度吻合，表明CAM并非由单一事件产生，而是反复基因组重组产生了不同节水版本，帮助物种适应各异生态位。

从热带树木到抗旱作物：应用前景

CAM植物水分利用效率显著高于传统光合植物，是培育气候适应性作物的潜在模型。新获取的基因组信息有望帮助识别高效二氧化碳固定和高水分利用效率相关的代谢过程。“从长远看，这些知识可能帮助科学家开发更适应干旱环境的作物。”韦克韦斯说道。研究团队强调，后续需进一步验证关键基因的功能，并将成果转化至主要农作物。

Q1: 什么是CAM光合作用？

A1: CAM（景天酸代谢）是一种特殊光合途径，植物在夜间开启气孔吸收二氧化碳并固定为苹果酸，白天关闭气孔减少水分蒸发，再进行光合作用。该机制可减少约80%水分消耗。

Q2: 这项研究对农业有何实际意义？

A2: 通过解析克鲁西亚属CAM的进化基因组学基础，科学家可识别调控高效节水代谢的关键基因，进而通过基因编辑或育种手段，提升玉米、水稻等作物的耐旱性，应对全球变暖加剧的干旱威胁。

综上，维也纳大学团队利用基因组与生理组学，系统揭示了CAM在克鲁西亚属中的多途径进化模式，不仅填补了进化生物学空白，更指向了未来抗旱育种的分子靶点。持续探索这一自然智慧，或将助力全球粮食安全。