Only Perception: 研究者成功模擬光合作用並設計更好的葉子

2007-11-10

研究者成功模擬光合作用並設計更好的葉子

Researchers successfully simulate photosynthesis and design a better leaf
http://www.physorg.com/news113835301.html

November 09, 2007

伊利諾大學的研究者打造出一株更好的植物，可以產生更多葉子與果實而無須額外的肥料。研究者利用電腦模型模仿這個過程的演化，完成這項功績。這就是第一個完整模擬光合作用（photosynthesis）過程每個步驟的模型！

研究發現刊載於 10 月號的 Plant Physiology 上，而且將在今日（9）於泰國曼谷的 BIO-Asia 2007 Conference 上演示。

光合作用存在於植物、藻類、浮游植物與某些品種的細菌與古菌（archaea）中，將光能轉換成化學能。植物中的光合作用涉及一種精巧的化學反應陣列，需要許多蛋白質酵素與其他化合物。大部分的光合作用都發生在植物的葉子。

"我們想要問的問題是，「就生產率而言，我們能做的比植物好嗎？」" 資深研究者 Steve Long 說，伊利諾大學一位植物生物學及作物科學教授。

利用真實植物以實驗處理這個問題是不可行的，Long 說。當超過 100 個蛋白質涉及光合作用時，每次只測試一個蛋白質將耗費大量時間與金錢。

"不過我們現在讓光合作用過程出現在「矽」之中。我們可以在超級電腦上測試所有可能的排列組合，" 他說。

研究者首先要建立一個可靠的光合作用模型，一個能在環境改變中真實模仿光合作用回應的模型。這件可怕的任務倚賴 National Center for Supercomputing Applications 所提供的運算資源。

朱新廣（Xin-Guang Zhu，該中心與植物生物學當中的一位研究科學家）與 Long 還有 Eric de Sturler（之前是伊利諾電腦科學系的計算數學專家）一同研究，將此模型實現。

在決定光合作用裡，每種蛋白質的相對豐富之後，研究者創造出一系列有關連的微分方程式，每道等式模擬光合作用中的單一步驟。該團隊測試並調整這個模型，直到它成功預測出以真正的葉子進行實驗，所獲得的實驗結果，包括它們對於環境變化的動態回應。

研究者接著調整該模型，隨機改變單一酵素在光合作用過程中的水平。

在一種作物，如小麥，在生產穀物之前，大部分它所吸收的氮，進入葉子中起光合作用的蛋白裡。要知道，施加更多氮到植物是件令人不快的事（譯註：例如要花肥料錢、造成污染），Long 說，研究者問了一個簡單的問題："當我們將固定總量的氮投入不同光合作用蛋白時，我們能做的比植物好嗎？"

利用「演化演算法」，那藉由挑選想要的特徵來模擬演化，這個模型追獵能夠增強植物生產量的酵素。如果某酵素更高的濃度與其他光合作用的效率改善相關的話，該模型會將該實驗結果當成親代，進行下一世代的試驗。

這個過程確認數種蛋白質，那能夠，如果其濃度較它者為高，大大增強植物的生產力。這些新發現與其他研究者的結果前後一致，那些人發現在基因轉殖（transgenic）植物中增加這些蛋白質當中的一種，可以增加其生產力。

"藉由重新排列氮的投入，我們幾乎能倍增效率，" Long 說。

一個源自於該研究中的顯著問題是，為何生產力可以增加這麼多，Long 說。為何植物沒有演化成像這樣如此有效率？

"答案可能就在這個事實之中：演化選擇生存（survival）與多產（fecundity），而我們則選擇增加生產力，" 他說。這種改變暗示，此模型會侵蝕植物在野外的生長，他說，"不過我們的分析建議，在農夫的田裡它們將可行。"

該研究由 National Science Foundation 贊助。

※ 相關報導：

＊ Optimizing the Distribution of Resources between Enzymes of Carbon Metabolism Can Dramatically Increase Photosynthetic Rate: A Numerical Simulation Using an Evolutionary Algorithm
http://www.plantphysiol.org/cgi/doi/10.1104/pp.107.103713

Xin-Guang Zhu, Eric de Sturler and Stephen P. Long
Plant Physiology 145:513-526 (2007)
First published online August 24, 2007;
doi: 10.1104/pp.107.103713