布鲁克海文国家实验室的科学家发现，一种负责合成关键植物材料的蛋白质的进化时间比预想的要早得多。这项新研究探索了构建木质素的生化机制的起源和进化，木质素是植物细胞壁的结构成分，对清洁能源行业有重大影响。

当第一批陆地植物从水生环境中出现时，它们需要适应才能生存。

布鲁克海文生物系高级科学家刘长军表示：“木质素的出现为植物提供了结构支撑，是植物在新的陆地环境中生存的关键进化事件。”

了解植物如何发展出能够在新环境中生存的保护机制至关重要，因为它们正面临着当今气候变化带来的挑战。但木质素也引起了寻找清洁能源选择的研究人员的极大兴趣。这种坚韧的植物材料可以加工成有价值的生物产品。木质素是唯一可再生的芳香族化合物来源，其化学性质与传统喷气燃料中的分子相似，可以被航空公司用作“替代”燃料。

“现代植物含有三种木质素，但大多数早期含木质素的植物只有两种。‘较新的’木质素被称为紫丁香基木质素，或 S-木质素，”刘解释说。S-木质素是最近随着开花植物进化而来的，结构上不如其他木质素成分复杂。它的潜在工业应用尤其引起了科学家的关注，因为 S-木质素相对容易分解成简单的芳香烃。

这项新研究最近发表在《植物细胞》杂志上，建立在多年研究木质素及其合成分子的基础上。2019 年，刘和他的同事发现，一种特定的细胞色素b 5 蛋白 CB5D 对S-木质素的生产必不可少，但对其他更古老的木质素类型则并非如此。

“CB5D 在 S-木质素合成中的独特作用引起了我们的兴趣，”刘说。“因此，我们受到启发，进一步探索其起源和进化。”

酶促团队合作

在之前的研究中，刘教授的团队发现 CB5D 与一种名为阿魏酸 5-羟化酶 (F5H) 的酶有着特殊的关系。这些分子共同合成了有价值的 S-木质素。

科学家们知道开花植物中 F5H 的进化导致了 S-木质素的产生。因此，他们希望发现 CB5D 与 F5H 共同进化。

为了验证他们的假设，科学家们进行了基因分析，以寻找其他植物物种，这些植物的 DNA 中含有与现代CB5D基因相似的基因，该基因充当组装 CB5D 蛋白的指令。他们确定了 21 个物种，从进化上古老的到进化上最近的。然后，科学家们合成了这些基因，并在一种经过基因改造而缺乏CB5D基因的现代植物物种中单独表达它们。

“如果没有CB5D基因，植物只能合成少量的 S-木质素，”布鲁克海文大学博士后研究员、新论文的主要作者 Xianhai Zhao 说道。“但如果通过表达其中一个相关基因恢复这一功能，那么我们就会知道该基因的功能与现代CB5D基因类似。”

科学家们发现，一种在 5 亿多年前进化为早期陆生植物的绿藻基因，能够恢复现代植物中的 S-木质素合成。这表明该基因具有 CB5D 型功能。科学家们还发现，这种功能在几种早期陆生植物中得到保留，例如苔类植物和苔藓。

“这意味着 CB5D 的进化比我们预期的早了数百万年，”刘解释说。“发现像 F5H 这样的现代电子受体与古老的蛋白质合作开发出合成先进木质素结构的新生化机制，这相当令人惊讶。”