Plantenbiologen van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), in samenwerking met collega's van het California Institute of Technology (Caltech), hebben de evolutionaire geschiedenis van fotosynthese gereconstrueerd om nieuw inzicht te geven in het zich nog steeds ontvouwende verhaal van zijn oorsprong.

De meest bestudeerde vorm van fotosynthese is zuurstof fotosynthese, de methode waarmee planten zonlicht gebruiken om water om te zetten in zuurstof. Echter, verdere studies van anoxygene fotosynthese, die geen zuurstof produceert, zijn cruciaal om te begrijpen hoe vroege microbiële metabolismes de geochemische cycli van de planeet kunnen hebben beïnvloed.

"Fotosynthese ondersteunt het grootste deel van het leven op onze planeet, maar we weten heel weinig over wanneer dit belangrijke metabolisme is geëvolueerd, " legde Patrick Shih uit, een postdoctoraal onderzoeker in de Environmental Genomics and Systems Biology Division van Berkeley Lab en co-eerste auteur van een recente studie in de Proceedings van de National Academy of Sciences getiteld "Evolutie van de 3-hydroxypropionaatfiets en recente overdracht van anoxygene fotosynthese in de Chloroflexi." Woodward Fischer, hoogleraar geobiologie aan Caltech, is ook co-eerste auteur van de studie.

Men denkt dat anoxygene fotosynthese evolueerde vóór zuurstofische fotosynthese, een rol spelen in enkele van de vroegste bewijzen voor leven op aarde, vóór de opkomst van zuurstof in de lucht.

"Er is algemeen gespeculeerd dat een speciale groep bacteriën, Chloroflexi genaamd, de uitvinders waren van anoxygene fotosynthese, " zei Shih. "We hebben de genomen van verschillende Chloroflexi bekeken en fylogenetica gebruikt om aan te tonen dat deze groep niet een van de oorspronkelijke uitvinders van fotosynthese kan zijn geweest."

Met behulp van een combinatie van vergelijkende genomica- en moleculaire klokanalyses, onderzoekers hebben vastgesteld dat fototrofe leden van de Chloroflexi-phylum veel te recent zijn geëvolueerd om de voorlopers van zuurstofische fotosynthese te zijn, een proces dat zich ongeveer 2,3 miljard jaar geleden ontwikkelde. In tegenstelling tot, bleek dat Chloroflexi helemaal niet ouder was dan het proces, ongeveer 867 miljoen jaar geleden geëvolueerd.

"We gebruikten fylogenetische methoden om te schatten wanneer evolutionaire gebeurtenissen plaatsvonden, specifiek moleculaire klokanalyses. Moleculaire klokken zijn een manier om te kijken naar de snelheid van moleculaire evolutie van eiwitten, die ons in staat kunnen stellen om schattingen te maken over wanneer specifieke gebeurtenissen hebben plaatsgevonden, " legde Shih uit. "We gebruikten deze methode om te begrijpen wanneer fototrofe leden van de Chloroflexi-phylum evolueerden. Van chloroflexi wordt traditioneel gedacht dat het een van de oudste fototrofe lijnen is die we kennen. Echter, onze moleculaire klokanalyse laat zien dat deze groep eigenlijk veel jonger is dan eerder werd gesuggereerd."

Deze studie is slechts het startpunt bij het bepalen van de leeftijd en de rol van belangrijke microbiële metabolismes en het identificeren van de oorspronkelijke uitvinders van fototrofie.

"We hebben laten zien dat we een aantal oude vragen die al tientallen jaren bestaan ​​opnieuw kunnen bekijken met nieuwe genomische en fylogenetische hulpmiddelen, " Shih toegevoegd. "Deze studie gaat in op het begrijpen van de oorsprong van fotosynthese en benadrukt hoe weinig we weten over de geschiedenis van het belangrijkste metabolisme dat onze planeet aandrijft."