Växtbiologer vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), i samarbete med kollegor från California Institute of Technology (Caltech), har rekonstruerat fotosyntesens evolutionära historia för att ge ny insikt i den ännu utspelade historien om dess ursprung.

Den mest studerade formen av fotosyntes är syrehaltig fotosyntes, metoden genom vilken växter använder solljus för att omvandla vatten till syre. Dock, ytterligare studier av anoxygen fotosyntes, som inte producerar syre, är avgörande för att förstå hur tidiga mikrobiella metabolismer kan ha påverkat planetens geokemiska cykler.

"Fotosyntes stöder majoriteten av livet på vår planet, men, vi vet väldigt lite om när denna viktiga ämnesomsättning utvecklades, " förklarade Patrick Shih, en postdoktor vid Berkeley Labs Environmental Genomics and Systems Biology Division och medförfattare till en ny studie i Förfaranden från National Academy of Sciences med titeln "Utvecklingen av 3-hydroxipropionatcykeln och nyligen överförd anoxygen fotosyntes till Chloroflexi." Woodward Fischer, professor i geobiologi vid Caltech, är också medförsta författare till studien.

Man tror att syrefri fotosyntes utvecklades före syrehaltig fotosyntes, spelar en roll i några av de tidigaste bevisen för liv på jorden, före ökningen av atmosfäriskt syre.

"Det har spekulerats i stor omfattning att en speciell grupp bakterier som kallas Chloroflexi var uppfinnarna av anoxygen fotosyntes, "Sih sade. "Vi tittade igenom genomen av olika Chloroflexi och använde fylogenetik för att visa att denna grupp inte kunde ha varit en av de ursprungliga uppfinnarna av fotosyntesen."

Genom att använda en kombination av jämförande genomik och molekylära klockanalyser, forskare fastställde att fototrofa medlemmar av Chloroflexi phylum utvecklats alldeles för nyligen för att ha varit stamfader till oxygenisk fotosyntes, en process som utvecklades för cirka 2,3 miljarder år sedan. I kontrast, det visade sig att Chloroflexi inte alls föregick processen, har utvecklats för ungefär 867 miljoner år sedan.

"Vi använde fylogenetiska metoder för att uppskatta när evolutionära händelser inträffade, specifikt molekylära klockanalyser. Molekylära klockor är ett sätt att titta på hastigheten för molekylär utveckling av proteiner, som sedan kan göra det möjligt för oss att göra uppskattningar om när specifika händelser inträffade, " Shih förklarade. "Vi använde den här metoden för att förstå när phototrofiska medlemmar av Chloroflexi phylum utvecklades. Chloroflexi har traditionellt ansetts vara en av de äldsta fototrofiska härkomsterna som vi känner till. Dock, vår molekylära klockanalys avslöjar att denna grupp faktiskt är mycket yngre än vad som tidigare föreslagits."

Denna studie är bara startpunkten för att bestämma åldern och rollen för viktiga mikrobiella metabolismer och identifiera de ursprungliga uppfinnarna av fototrofi.

"Vi har visat att vi kan återkomma till några gamla frågor som har funnits i decennier med nya genomiska och fylogenetiska verktyg, " Shih tillade. "Denna studie tar upp förståelsen av fotosyntesens ursprung och belyser hur lite vi vet om historien om den stora ämnesomsättningen som driver vår planet."