光合作用,是植物把太阳光线转化为化学能量的过程。只是,不同植物有着不同类型的光合作用机理。具体到菠萝,与香蕉和芦荟、仙人掌一样,光合作用机理相对特殊,名为“景天酸代谢(CAM)”。
另外两种光合作用机理,名为“碳3”和“碳4”,分别对应于小麦、水稻、大豆、烟草和棉花等植物以及玉米、甘蔗和高粱等植物。
CAM植物与典型碳3植物相比,生长过程中用水量只需要后者的20%,所以可以在炎热、干旱的环境下生长。这一特性是研究人员尤其看重的。
研究人员首次发现,就菠萝基因组而言,与CAM相关的一些基因接受昼夜节律钟基因调控,因而光合作用机制伴随昼夜差别而调整:白天,叶子上的气孔关闭,减少水分流失;晚上,气孔打开,吸收并固定二氧化碳。
依照明瑞光的解释,“这就造就了菠萝的韧性,能够抵御炎热和干燥的气候,因为它的叶子白天很少流失水分”。
菠萝最早6000多年前在如今属于巴西西南部和巴拉圭东北部的南美洲地区种植,现已扩散至超过85个国家,合计年产量大约2500万吨,产值将近90亿美元。
菠萝与一些禾本科植物,如水稻和高粱,在基因组层面上,最初有过共同的“祖先”,但各自经历多次基因组倍增,也就是所谓“全基因组复制”,形成现在各自的性状。明瑞光及其研究小组确认,菠萝有过两次全基因组复制。而先前研究表明,禾本科有过三次全基因组复制。
明瑞光因而认定,菠萝基因组是研究谷类作物基因组的“最佳对照物”。
认知不同的光合作用机理,比对不同作物的基因组构成,着眼点是培育抗旱植物新品种,特别是粮食类作物,以应对全球气候升温趋势。
在最新一期英国《自然·遗传学》杂志发表的论文中,研究人员写道:“全球范围内,干旱是多数情况下导致作物减产的原因。所以,理解植物进化,得以在缺水环境下生存的机制,对于借助遗传工程手段赋予作物以耐旱性能而言至关重要。”