叶绿体是植物进行光合作用的细胞器,“内共生学说”认为叶绿体起源于蓝藻类的原核生物。在漫长的进化过程中,蓝藻类的原核生物被原始的真核细胞吞噬入胞内,与宿主细胞长期共生,逐渐演化为叶绿体。 虽然由于失去或向核内转移一些基因而与蓝藻形成巨大差异,但叶绿体还带有明显的蓝藻的进化特征与痕迹。分子生物学的研究成果已经为叶绿体内共生起源学说提供了较为坚实的论据,但大多集中于基因序列的进化分析,从代谢网络的比较研究出发,用系统生物学手段来揭示光合作用的进化尚未见报道。 叶绿体和蓝藻的代谢网络之间存在着相似性或继承性,但在内共生过程中,蓝藻中的大量基因水平转移到植物的细胞核上,在核内编码,在细胞质内翻译,再转运到叶绿体,这些蛋白运输过程需要大量能量和复杂调控。所以作为专门进行光合作用的细胞器,叶绿体的代谢网络是否具有与其祖先不同的特征使其在光合作用方面更加高效呢?本文利用现有数据库和文献信息重构叶绿体和九种光合细菌(有八种蓝藻)的代谢网络,比较结构和功能的相同和不同,发现网络的演化规律,揭示叶绿体代谢网络结构的改变使得其具有更高效的光合作用。同时,该方法和思路也可用于线粒体代谢网络的进化研究,对于从系统生物学水平研究物种进化具有重要的理论意义。 基于超图模型对叶绿体和多种蓝藻代谢网络的拓扑特征进行分析,发现都具有无标度网络和小世界特征。不同蓝藻的拓扑特征非常相似,而叶绿体的全网络连接比较稀疏,并且与卡尔文循环相关的子网络连接得更加紧密,表明叶绿体在光合作用方面更具专一性。也证实了光能的吸收和转换在光合细菌中已经比较高效,因此高等植物光合作用效率的改进主要在于代谢网络特征的变化。 通过综合比较已有的网络模块化方法,选定模拟退火聚类算法对酶连接网络进行模块化分析,并按照KEGG的通路分类进行功能匹配,将叶绿体网络分解成12个模块,其中有7个模块都有50﹪以上的酶对应于一类代谢过程,并且有两个模块分别完全对应于脂类代谢和维生素代谢,另外有两个模块分别有90﹪和80﹪的酶属于次级代谢和激素代谢。而各个光合细菌基本得到6-8个模块,其中只有2-3个模块有50﹪以上的酶对应于一类代谢,并且没有一个模块完全匹配到一类代谢过程。所以叶绿体比光合细菌具有更显著的模块化结构,这是叶绿体具有高效的光合作用性能的先决条件,说明其全局代谢组与专门化功能之间具有更好的协同作用。叶绿体中不存在多糖类代谢和异源物质的生物降解,其生物学意义可能在于减少能量消耗,更好地提高光合作用效率。 网络整体模块化结构的相似性分析表明不同光合细菌呈现相似的模块化结构,而叶绿体则具有明显差别。但是发现叶绿体与光合细菌之间有非常保守的五个模块,其中三个对应于氨基酸代谢,另外两个分别对应核苷酸代谢和糖代谢。说明叶绿体核心的基础类代谢是通过水平基因转移从蓝藻获得的,而后来改变或增加的主要是辅助因子和维生素代谢以及次级代谢等。 对叶绿体、蓝藻、大肠杆菌、拟南芥和红藻的代谢网络中酶的拓扑连接和功能之间的关联进行分析,发现不同代谢过程和不同性质分类的酶具有不同的连接度,并且叶绿体与蓝藻中各类酶的连接度都非常接近,说明结构与功能的关联在亲缘关系较近的物种之间具有一定的相似性。 另外还分析了叶绿体与蓝藻各模块的平均连接度,水平转移酶的连接度和位置分布,以及同工酶的连接度,说明叶绿体代谢网络的进化是patchwork进化模型和偏好性依附机制共同决定的,为“内共生学说”提供了更清晰的解释。