光呼吸通过甲酸作为一碳来源将其与DNA甲基化联系起来

叶片如何把空气与光转化为持久的“记忆”

植物不仅将阳光转化为糖。它们还会在DNA上记录环境信息，留下可影响生长、抗逆性甚至后代的化学标记。这项研究揭示了两个领域之间令人惊讶的桥梁：被视为光合作用“浪费”副反应的光呼吸，竟然为写入和维持DNA“记忆”标记的化学机制提供了原料。随着二氧化碳浓度上升和气候变化改变光呼吸，这些过程也可能在长期内悄然重塑植物基因组。

植物光合作用中的代价绕行

当植物捕获光能时，负责固定二氧化碳的关键酶有时会误抓氧气。这个错误触发了光呼吸——一个回收部分碳但消耗能量并释放CO2的修复循环。长期以来光呼吸被视为影响作物产量的不利因素，但现在它被认识到与其他代谢途径密切相连。该修复循环的一个副产物是甲酸，这是一种在植物线粒体中产生的小型一碳分子。作者探讨了这个不起眼的副产物是否不仅仅被氧化掉——它是否还能为把甲基（含碳的小标签）加到DNA上的化学反应提供燃料？

从甲酸到DNA标记的隐蔽通道

在植物细胞内，有一套被称为一碳代谢的网络在分子之间运输单个碳单位。这些碳单位最终为加入DNA的甲基提供来源，帮助保持跳跃基因沉默并维持稳定的基因活动。研究人员在模式植物拟南芥中聚焦于两种关键酶THFS和MTHFD1，它们将甲酸转化为用于DNA和氨基酸化学的活性一碳形式。利用MTHFD1功能减弱或缺失的突变体，他们发现植物积累了抑制性副产物、基因组大片区DNA甲基化丧失，并开始解锁通常沉默的转座子。引人注目的是，在这些突变体中去除THFS恢复了正常生长和大部分DNA甲基化模式，表明甲酸加工途径与并行的基于丝氨酸的途径通常相互平衡，以维持一碳供给的稳定。

追踪从呼吸到基因组的碳原子

为了直接证明甲酸供给DNA甲基化，团队向植物提供了用重碳标记的甲酸并追踪这些碳原子的去向。借助灵敏的质谱技术，他们在蛋氨酸（一种生成通用甲基供体的氨基酸前体）和DNA中甲基化的胞嘧啶碱基中检测到了标记。该标记依赖于THFS和MTHFD1，并在白天——光呼吸活跃时——最为强烈，而在夜间则不明显。他们还观察到被标记的胸腺嘧啶碱基，将甲酸与DNA构件本身联系起来。相比之下，嘌呤碱基腺嘌呤并不依赖于该细胞质通路，这与此前其合成发生在细胞其他部位的证据一致。综合这些实验可绘出一条清晰路线：光呼吸产生的甲酸被回收进入一碳网络，最终成为基因组上的化学标签。

白昼长度、二氧化碳与表观遗传平衡

这种联系的强弱随光周期和空气成分而变化，将DNA化学性状与外界环境挂钩。在类似夏季的长日照条件下，MTHFD1突变体表现出大量一碳中间体累积、天然抑制分子增多、DNA甲基化丢失以及广泛的转座子激活。缩短日照明显缓解了这些问题，这表明在光照受限时植物更多依赖基于丝氨酸的一碳供给，从而减轻对甲酸通路的负担。研究组还在高浓度二氧化碳下种植植物，这会抑制光呼吸。在正常植株中，这一处理引起了细微的DNA甲基化变化，尤其在某些基因区域。在MTHFD1突变体中，高CO2部分恢复了DNA甲基化并抑制了异常活动的遗传元件，这与甲酸进入有缺陷通路的流量减少一致。这表明由日长、CO2水平、温度或干旱驱动的光呼吸变化，可以通过一碳代谢波及并重塑DNA标记模式。

这对作物与气候意味着什么

这项工作将光呼吸从单纯的能量损耗重新定位为表观遗传稳定性的守门员。通过证明来自光呼吸甲酸的碳原子最终进入DNA甲基化标记，作者提供了一个具体机制，说明环境如何通过核心代谢影响植物表观基因组。随着大气CO2上升以及热与水胁迫加剧，甲酸来源与丝氨酸来源的一碳供给之间的平衡很可能发生变化，从而改变DNA甲基化的维持忠实度。经过多代，这样的变动可能以影响适应性、产量和抗逆性的方式改变基因与移动元件的活动。理解这一代谢桥梁因此可能帮助育种者和生物技术专家预测并在一定程度上引导作物在未来气候下从基因组层面如何响应。

引用: Hankofer, V., Ghirardo, A., Obermaier, L. et al. Photorespiration is linked to DNA methylation by formate as a one-carbon source. Nat. Plants 12, 653–664 (2026). https://doi.org/10.1038/s41477-026-02222-x

关键词: 光呼吸, DNA甲基化, 一碳代谢, 植物表观遗传学, 气候变化