Rubisco evolution in C₄ eudicots: an analysis of Amaranthaceae sensu lato.
Rubisco evolution in C₄ eudicots: an analysis of Amaranthaceae sensu lato.
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DOI：
10.1371/journal.pone.0052974
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发表时间：
2012
期刊：
影响因子：
3.7
通讯作者：
Filatov DA
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Kapralov MV;Smith JA;Filatov DA
Rubisco（核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶）催化光合作用中的关键反应。在C4植物中，CO2通过辅助CO2浓缩途径供应给Rubisco，该途径有助于最大化酶的羧化酶活性，同时抑制其加氧酶活性。因此，与C3酶相比，C4 Rubisco表现出更高的最大速度但更低的底物特异性。Rubisco中的特定氨基酸与单子叶植物中的C4光合作用有关，但尚不清楚选择是否以类似的方式作用于真双子叶植物中的Rubisco。我们调查了Rubisco的进化苋科广义（包括藜科），第三大家庭的C4植物，使用基于遗传的最大似然和贝叶斯方法检测达尔文选择的叶绿体rbcL基因的样本中的179种。两个Rubisco残基，281和309，被发现在C4苋科的积极选择下，与多个平行的替换丙氨酸丝氨酸在位置281和蛋氨酸由异亮氨酸在位置309。值得注意的是，这两种氨基酸已在其他C4植物群中检测到，如C4单子叶植物，说明了分子进化中惊人的平行性。我们的研究结果说明了简单的遗传变化如何有助于光合作用的进化，并加强了平行氨基酸替换与Rubisco适应性变化相关的假设。
Rubisco (ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase) catalyses the key reaction in the photosynthetic assimilation of CO2. In C4 plants CO2 is supplied to Rubisco by an auxiliary CO2-concentrating pathway that helps to maximize the carboxylase activity of the enzyme while suppressing its oxygenase activity. As a consequence, C4 Rubisco exhibits a higher maximum velocity but lower substrate specificity compared with the C3 enzyme. Specific amino-acids in Rubisco are associated with C4 photosynthesis in monocots, but it is not known whether selection has acted on Rubisco in a similar way in eudicots. We investigated Rubisco evolution in Amaranthaceae sensu lato (including Chenopodiaceae), the third-largest family of C4 plants, using phylogeny-based maximum likelihood and Bayesian methods to detect Darwinian selection on the chloroplast rbcL gene in a sample of 179 species. Two Rubisco residues, 281 and 309, were found to be under positive selection in C4 Amaranthaceae with multiple parallel replacements of alanine by serine at position 281 and methionine by isoleucine at position 309. Remarkably, both amino-acids have been detected in other C4 plant groups, such as C4 monocots, illustrating a striking parallelism in molecular evolution. Our findings illustrate how simple genetic changes can contribute to the evolution of photosynthesis and strengthen the hypothesis that parallel amino-acid replacements are associated with adaptive changes in Rubisco.
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