狐尾草屬（Neurachne）植物的C4之路

狐尾草屬的N. munroi。圖片來自維基百科

原生於澳洲的南澳省、維多利亞省、新南威爾斯省的狐尾草屬（Neurachne）植物，在當地俗稱為mulga grass，其屬下至少有七個物種。有趣的是，光是這七個物種，就有C4植物（3種）與C3植物（1種）。

過去對C4植物的研究認為，C4植物應該是在演化較晚期才出現的代謝類型，因為在目前發現的將近1500種C4植物，它們分散在18科（單子葉3科，雙子葉15科），但是沒有任何一科是全科都是C4植物。相對的，C3與CAM都有全科都是C3或CAM。

由於狐尾草屬本屬中就存在著C4與C3植物，這使得研究團隊認為，這一屬的植物很適合用來研究C4植物的演化。

於是他們定序、分析了七種狐尾草屬植物的11500個信息RNA，得到了非常有趣的結果。

首先，他們發現，當他們把這11500個序列分析完，並建立了一個系統發育樹以後，他們看到有兩種植物，N. muelleri與N. munroi（如圖）並沒有聚在一起，而是分散在樹的不同分枝上。這意味著，這兩種植物是從不同的祖先獨力演化而來，也就是說，C4型態的光合作用，光是在狐尾草屬裡，就至少演化了兩次。

其次，當他們在分析這些基因時，他們發現有一個包含許多參與C4代謝的基因群組。這個群組中，有兩個基因特別受到研究團隊的注意：一個是「葉肉細胞包膜蛋白2（Mesophyll envelope protein 2，MEP2），另一個是「葉綠體內膜轉運蛋白21（translocon at the inner chloroplast envelope 21，TIC21）。研究團隊發現，這兩個基因在C4物種的葉片中表現量更高。雖然目前還不清楚它們到底有什麼特殊的功能，但是應該是有其重要性的。

第三，研究團隊發現了β-碳酸酐酶1（β-CA1）基因透過選擇性剪接產生了兩種同工酶：β-CA1a（位於葉綠體）和β-CA1b（位於細胞質）。而在C4的物種中，細胞質版本的β-碳酸酐酶1的表現量比C3物種的更多。由於碳酸酐酶在C4植物中負責將二氧化碳與水轉化為重碳酸根（HCO3-），讓磷酸烯醇丙酮酸羧化酶（PEPC）可以催化下一個步驟的反應，因此較高表現量的細胞質版本的β-碳酸酐酶1可能意味著這個酵素就是協助C4代謝的酵素。雖然研究團隊並沒有確認這個酵素是否在葉肉細胞中表現量較高，但這也是未來可以確認的。

第四，研究團隊發現，這些C4物種的PEPC的頭（N端）與尾（C端）都出現了變異！研究團隊認為，頭的變異可能影響到PEPC的活性調節，而尾的變異則會對它自己的穩定性以及與其他蛋白質的相互作用產生影響。由於PEPC負責C4固碳的第一個步驟：將重碳酸根加到磷酸烯醇丙酮酸（PEP）上，產生草醯乙酸（OAA，oxaloacetate），所以PEPC的變異應該也是非常重要的。

最後，研究團隊發現，C4物種的NADP-蘋果酸酶（NADP-ME）也有變異。NADP-ME在C4植物中是負責在髓鞘細胞裡把蘋果酸脫羧以釋放出二氧化碳供RuBisCO使用，因此它也是非常重要的酵素。研究團隊發現C4物種的NADP-ME的第231號胺基酸從纈胺酸（Val）變成半胱胺酸（Cys）。過去對C4植物的研究發現，這個位置對C4植物裡的NADP-ME很重要，所以雖然對它的詳細功能還不清楚，但應該也是很重要的一個酵素。

總而言之，透過研究狐尾草屬的植物，研究團隊發現了C4植物的許多特點，也找到了更多的研究方向，有待更多團隊的繼續努力。另外，近年來一直有科學家想要把C3作物轉化為C4，或許藉由研究狐尾草屬的植物們，科學家們也會更清楚要怎麼下手！

參考文獻：

Tran, T. M., & Robil, J. M. (2024). Evolution of C4 photosynthesis: A lesson from the diverse photosynthesis genus neurachne. Plant Physiology. https://doi.org/10.1093/plphys/kiae523