在古地球的急剧变化的条件下,生物必须进化出新的策略来保持。从mid-Oligocene,大约3000万年前,中新世中后期,大约500万年前,大气中二氧化碳浓度下降了约三分之一。这个时期出现的一种新形式的光合作用在植物的一个子集,C4途径。存在于植物的一个子集,C4途径补充前面的C3光合作用途径,这意味着这些物种现在收获了来自太阳的能源使用两种不同的策略。

研究人员一直认为,二氧化碳水平下降推动植物的起源与这个创新,但是一项新的研究在《美国国家科学院学报》上,基于生化模型由一群由宾夕法尼亚大学生物学家和古气候建模普渡大学由一群,表明水的可用性可能是C4植物的出现背后的关键因素。

“C4的最初起源,发生在大气二氧化碳仍很高,水似乎受到限制,“Haoran周说,研究生在艺术与科学学院生物系和第一作者在纸上。”后来,大约5到800万年前,有一个大的扩张C4草原。这是因为二氧化碳变得越来越低。二氧化碳和光照强度实际上是限制因素有利于C4。”

说:“我们展示Erol Akcay,宾夕法尼亚大学的助理教授生物学,”是提高用水效率的C4途径足以给它一个最初的生态优势相对干旱的环境。这是做这种类型的生理建模的好处。如果你只考虑温度和二氧化碳,你可能会错过这个水和光的作用。”

研究者的工作还表明,C4植物可能有竞争优势在C3植物即使大气中二氧化碳水平仍相对较高,在渐新世晚期。

“推理是C4可能比我们以前认为的发展相当早,”佩恩的布伦特Helliker说,生物学副教授,连同Akcay,作为周的顾问。“这支持一些分子钟估计当C4进化。”

在植物中C3光合作用途径,第一个光合作用生产的稳定化合物包含三个碳原子;在C4植物中,第一个化合物有四个碳原子。C3通路发展第一,功能有效时,气氛富含二氧化碳。然而,C4植物是单独进化的C3植物数十次,能够有效光合作用尽管低碳水平由于一个额外的步骤在服务的过程中,空气中的二氧化碳注入一个内部层细胞,其余的循环运行。通过运行“封闭”系统,光合作用机制与外部空气不直接交互,C4光合作用使植物用更少的水做更多的食物比C3途径损失。

今天,大约四分之一的地球植被由C4植物。几个重要的作物物种,包括玉米和甘蔗,拥有C4途径。发现的化石记录和同位素的研究已经帮助科学家估计这个途径进化时,虽然这些估计已经晚于所提出的分子钟数据从各种植物物种的系统发育分析,导致一些混乱当通路出现时,控制在特定的生态系统。

近距离观察的因素可能支持C4光合途径的传播,周,Akcay, Helliker创建了一个多层次模型。影响光合作用以及那些他们认为变量影响液压系统,植物的“决定”,把更多的精力投入到不断增长的根吸收水分,或建造更多的叶子,可以帮助吸收光和二氧化碳也暴露了他们更大的水损失。此外,植物可以确定最优的碳平衡和水损失。耦合这两个系统,科学家们的模型包括四个因素,可以支持C3和C4血统:二氧化碳浓度、光、温度、水和可用性。

根据他们的模型,C4进化似乎在两个阶段。当二氧化碳还高,C4在在全球范围内的不断出现,已经变得温暖和干燥。但它才获得竞争优势C3植物几百万年后,当二氧化碳很低和草原的扩张为开放的栖息地提供了充足的光线。在这些地区,C4草原扩张和C3草原取代。

看看这个模型与古气候在早期的C4植物,佩恩团队合作与普渡大学的马修·胡贝尔古气候建模人员由国家科学基金会资助的模型中新世气候,和研究生阿什利·迪克斯。使用气候模型输出和古气候数据包括二氧化碳浓度、温度、降雨,研究人员预测可能的地理分布C3和C4植物通过从渐新世到中新世早期晚期,大约30到500万年前。他们发现两个地区以前从未被确认,C4植物就可能会主导第一进化后,由于水效率:西北非洲和澳大利亚。

“这些都是两个世界以前未被认识的口袋C4植物可能有一个生态优势和真正接管,“Akcay说。

说:“这是一个非常激动人心的机会,”休伯,“当佩恩集团联系了我们,因为这是一个非常新颖的应用古气候模型输出。它有助于使气候模型告诉我们什么之间的联系过去和未来气候和地质记录的可核查的模式。”

虽然这项研究没有调查在未来会发生什么大气二氧化碳水平上升再一次,它可以帮助提高理解为什么植物分布的今天,如何应对未来的条件。

”在场的气候条件当C4进化还可能重要的今天,“Helliker说。“如果一个血统的C4植物进化主要是因为水限制二氧化碳高时,这些植物可能会发现今天在干燥的环境中,而如果是更多的二氧化碳,导致他们的进化和支配这些植物可能在今天潮湿地方。”

此外,一些科学家认为工程其他农业重要的物种,如大米、C4光合作用,有助于提高粮食产量,所以该模型可以帮助预测这样的植物可以优化生长。