近日，上海交通大学生命科学技术学院、微生物代谢国家重点实验室王寅炤副教授课题组在PNAS Nexus期刊上发表了题为“Oxidative adaptations in prokaryotes imply the oxygenic photosynthesis before crown-group Cyanobacteria”的研究论文，提出了产氧光合作用起源与演化过程的新假说。这一发现为理解早期地球氧化环境形成与生命演化过程提供了新视角。上海交通大学博士生曾子超为论文第一作者，王寅炤副教授为通讯作者。

微生物从厌氧到需氧的转变，暗示了其对氧气胁迫的适应性演化。蓝细菌是目前已知的第一类且是唯一的具有光合产氧能力的原核生物。传统观点认为，地质过程只能产生极为有限的氧气通量，而蓝细菌作为唯一具备进行产氧光合作用能力的原核生物，在大氧化事件（GOE）期间深刻改变了地球大气和表层水体环境的氧化还原条件，并推动了其后原核生物的多样化过程。产甲烷古菌是厌氧微生物的代表，作为地球最早的生命形式之一，在广古菌中可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个主要类群。其中Ⅱ类产甲烷古菌展现出独特的耐氧特性，相较于其他严格厌氧产甲烷古菌更能适应低氧环境，因而过去被认为起源于大氧化事件期间。然而，通过对染色体结构维持蛋白（SMC）进行谱系发生分析发现，其编码基因经历了从早期Ⅱ类产甲烷古菌至现存蓝细菌最近共同祖先的跨域水平转移过程，确证了现存产氧蓝细菌的起源时间明显晚于Ⅱ类产甲烷古菌，从而引发了对造成Ⅱ类产甲烷菌氧化适应的氧气来源的讨论。

研究团队综合运用比较基因组学、谱系发生分析和分子钟定年技术，发现多个原核生物谱系在冠群蓝细菌出现前就已进化出对氧化胁迫的适应性机制。这一时序悖论暗示：在现存蓝细菌主导的产氧光合作用起源之前，地球上可能已经存在更古老的生物光合产氧途径。本研究提出，这些可能起源于古太古代（约36-32亿年前）的原始光养生物，或是推动原核生物对氧化胁迫适应机制的重要演化驱动力。相关成果为理解原核生物对氧化胁迫的适应过程，光合作用的起源与演化路径，以及地球氧化环境形成机制提供了关键分子证据。

本研究得到了国家自然科学基金（42422209、42272354、92351304、42230401、42141003）和国家重点研发计划（2023YFC3108600）的资助。上海交通大学博士生李留洋、王姮、吕振波，上海交通大学本科生陶俣昕（已毕业），以及上海交通大学王风平教授为本研究做出了重要贡献。本研究得到上海交通大学网络信息中心高性能计算中心（HPC）的支持。