科学家找到陆生植物共同祖先

甲是轮藻纲，乙是鞘翅目，丙是二元藻类，丁是藓类。基因组图

绿藻和陆地植物祖先进化树。基因组图

化石证据表明，在5亿到6亿年前的某个时候，一些绿藻成功地抵抗了干旱的生存环境，登陆陆地，成为陆生植物的祖先。从那以后，地球慢慢变绿，进化出不断变化的陆生植物，支撑着包括人类在内的整个陆生动物系统。

然而，现存陆地植物的共同祖先来自哪一组？第一种真正的绿色植物是如何从水生逐步进化到陆生并成功适应的？科学家们很久以来一直在问这个有争议的问题。

11月14日，CELL发布的最新研究结果回答了上述问题。

中国农业科学院基因组研究所的研究员程世峰的团队和来自德国、加拿大和俄罗斯的科学家共同证明了一种新发现的单细胞藻类——双壳类水螺，是陆地植物中所有近亲的共同祖先。许多以前被认为是陆地植物特有的转录因子可以在绿藻基因组上其祖先起源的“根”中找到。本文报道了陆地植物的共同祖先突破了干旱适应的分子机制，在5亿年前成功登陆，首次揭示了陆地植物的祖先“借用”土壤细菌基因的遗传物质创新来驱动漫长的陆地过程。

陆生植物共同祖先之谜

光合真核生物起源于大约15亿年前的海洋，在有光和水的地方繁盛起来。在水中生活了10亿年后，生命克服重重困难来到了陆地。

该论文的第一作者程世峰告诉《中国科学杂志》，研究小组参与的另一项工作——对1000种绿色植物的转录组进化分析——最近发表在《自然》杂志上。科学家发现，在植物进化的整个过程中，有许多“大转变”，比如花、种子和维管束的起源。这些高等植物中许多新性状起源的基因可以在陆生植物的祖先中找到。陆生植物祖先的起源，即地体化，涉及大量的基因创新和基因家族扩张，是植物进化的关键一步。陆生植物是一个漫长而复杂的进化过程。在潮汐起伏和变迁中，一些地理栖息地周期性地干涸，例如形成小水坑、河床和近海沼泽。植物祖先开始与土壤细菌混合并相互作用，展示新的养分获取方法，逐渐赋予第一批陆地植物及其后代适应恶劣环境的能力，并最终形成我们今天看到的丰富多样的陆地植物群落。

陆源植物事件深刻地改变了整个生态系统，是地球表面“绿色”和多样性爆发的起点。它们为包括我们自己在内的更高层次的生命提供了必要的生存和发展基础，包括氧气、食物、营养和天然药物。”这篇论文通讯的作者、加拿大阿尔伯塔大学的教授甘恩·卡舒·王说。

事实上，在过去数十亿年的生命进化过程中，许多光合真核生物群体已经突破了干旱适应，成功着陆。

然而，几乎所有的化石和分子证据都表明，现存陆生植物起源于一次单一的登陆事件，其共同祖先属于一个被称为链藻的分支。植物分类学家和进化化学家做了不同的研究，分析了最简单和最原始的陆地基底植物，如苔藓、苔藓/角质苔藓。

黄解释说，在过去，大部分的研究集中在淡水或部分陆生生命链藻类绿藻，如更密切相关的陆地植物，复杂结构的轮藻目或鞘翅目，以及更简单的形式的藻科。

“当我们不能在正确的进化树上找到正确的物种时，许多生物学和进化问题就无法得到很好的回答，”程世峰说。“理解5亿年前陆生植物祖先的分子机制非常困难，但也非常有趣。”

“着陆前适应”的单细胞

单细胞绿藻螺旋体以前从未进入科学家的视野。

因为以前的研究倾向于将更像高等陆地植物的复杂苔藓、轮藻或鞘氨醇单胞菌误认为它们可能是陆地植物的祖先。新发现的物种，像大多数二歧藻类一样，以单细胞或简单的丝状形式存在。

通信作者、德国科隆大学教授迈克尔·梅尔科尼亚(Michael Melkonia)介绍说，该大学藻类研究中心提供的两种双壳类藻类——麝香螺(Spirogloea muscicola)和细脚螺(Mesotaenium endlicherianum)已分别完成了华大基因的全基因组测序工作。

通过系统分类和比较进化基因组学研究，证实了螺藻是第一个新发现的螺藻属新种，也是最接近陆生植物共同祖先的两栖类最早分化的基础种。

令科学家们惊讶的是，核心基因家族以前被认为是陆地植物所独有的，如植物激素、抗逆、抗旱、抗紫外线、与细菌/真菌共生等。，在这个新发现的物种中是丰富的，并且它的细胞壁更接近陆地植物。

“在登陆之前，双壳类藻类的基因组和遗传代谢经历了相当大的基因组创新，并获得了大量新的基因或家族扩展。基因材料已经为适应地球生命做好了准备。”梅尔科尼安说。

此外，该团队检测到其基因组中最近发生了重大的全基因组三倍化事件。根据1000种绿色植物的转录组图，全基因组多倍体化事件在藻类中极为罕见，但双歧杆菌属分支中的一些物种具有可以检测到的丰富的多倍体化信号。

“基因或全基因组复制是生命从简单进化到复杂的重要驱动力之一。二元藻类具有频繁发生全基因组复制事件的潜力，其与适应陆地环境的关系是一个需要进一步深入研究的课题。”程世风说道。

从土壤细菌中“借用”关键基因

在绿藻和陆生植物的祖先所共有的大量基因中，GRAS和PYL引起了人们的极大关注。

GRAS是植物研究中的明星基因之一。它在功能上是“多功能的”，并与许多重要的代谢途径有关，如植物生长、发育和抗逆性。PYL基因是脱落酸脱落酸遗传途径中的一个重要受体因子。

科学家发现，绿藻祖先的两个关键基因是从土壤细菌中“借用”来的。“这实际上是植物共同祖先自然发生的‘基因工程事件’。这通常被称为“转基因”事件，也是陆地植物祖先适应陆地栖息地的关键分子驱动力。”程世峰说，通过分子系统发育分析，发现这一水平基因转移事件起源于6亿年前的土壤细菌，与植物登陆事件的化石时间相吻合。

科学家认为，这一水平的基因转移事件是陆生植物祖先在功能和适应性上实现“历史性飞跃”的关键一步，并在未来5亿年绿色植物逐渐占领地球的过程中发挥了极其重要的作用。

在基因组学时代，系统比较进化基因组学是从基因水平挖掘和研究陆生祖先植物分子基础的有力策略程世峰认为，从自然界物种资源的多样性中获得灵感，筛选和挖掘目标功能基因，是农业育种工作者的一项重要内容。

相关纸质信息:

https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.10.019

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1693-2