植物_ 科学家找到陆生植物共同祖先 借用细菌关键基因成功登陆

a是轮藻目，b是鞘毛藻目，c是双星藻纲，d是苔类。 基因组供应图

绿藻和陆地植物的祖先进化树。 基因组供应图

化石证据显示，在大约5亿~6亿年前的某个时期，某种绿藻抵抗干燥的生活环境，登陆成为陆生植物的祖先。 从此，地球逐渐变绿，千变万化的陆生植物进化，支撑着包括人类在内的整个陆生动物系统。

但现存陆地植物的共同祖先是从哪个类群中诞生的？ 最初真正的绿色植物是如何从水生向陆生进化、适应的？ 关于这场争论，科学家们很久没有追究过。

11月14日，“细胞”发表的最新研究成果回答了上述问题。

中国农科学院基因组研究员程时锋队和来自德国、加拿大、俄罗斯的科学家共同证明，新发现的双星藻纲单细胞绿藻Spirogloea muscicola是所有陆地植物最近缘的共同祖先。 以前被认为只有陆地植物才有的转录因子，可以在这个绿藻基因组中找到祖先起源的“根”。 论文首次揭示陆地植物共同祖先在5亿年前突破了干旱适应成功的登陆分子机制，陆地植物祖先“借用”土壤细菌基因的遗传物质革新，推进长期陆地化。

陆地植物共同祖先之谜

光合真核的生命产自约15亿年前的海洋，盛行于有光和水的地方。 在水中生活了十亿年，生命克服困难登上了陆地。

论文第一作者程时锋在《中国科学报》中指出，这是该研究小组参与的另一项工作——1000种绿色植物转录组的进化分析，最近发表在《自然》杂志上。 科学家发现在植物大进化过程中，花的起源、种子的起源、维管束的起源等有很多“大迁移”时期，这些高等植物的新形质起源的基因在陆地植物的祖先中有很多发现。 陆地植物祖先的起源，即陆地化，是关系到大量基因创新和基因家族膨胀的植物进化的重要一步。 植物陆地化是一个漫长而复杂的演化过程，在潮汐涨落、沧海桑田下跌的变迁中，形成了一些地理生境周期性涨落的现象，如小积水、河床、近海泥沼等。 植物的祖先开始与土壤细菌交配，展示了新的营养获得方式，逐渐使最初的陆地植物及其后代具有适应恶劣环境的能力，最终形成了我们今天所看到的多种陆生植物群落。

“植物陆地化事件大大改变了整个生态系统，是地球表面“改变绿色”和多样性爆发的起点，为高等生命，包括我们人类自身，提供了含氧食品、营养和天然药物等必要的生存和发展基础。”论文通信的作者加拿大阿尔伯特大学教授Gane Ka-Shu Wong说。

事实上，在过去几十亿年的生命进化过程中，多种光合真核生物突破了干旱适应，成功登陆。

但是，大部分化石和分子证据显示，现有陆地植物的起源来源于单一登陆事件，共同的祖先属于被称为链型藻类的某个支系。 植物分类学家和化学家们通过不同的研究，分析了最简单的原始基部陆地植物，如苔藓、苔藓/角苔类植物。

Wong解释说，过去的焦点是在淡水和一部分陆地生活的连锁藻类绿藻，例如接近陆地植物的构造复杂的轮藻目和鞘毛藻目，以及形态非常简单的双星藻纲的分支。

“如果我们不能把正确的物种定位在正确的系统树上，很多生物学和进化问题就不能很好地回答”，程时锋说“要弄清楚5亿年前发生的植物祖先陆地化的分子机制是很困难的，但是很有趣的。”

“登陆前不适应”单细胞

单细胞绿藻Spirogloea muscicola从来没有进入科学家的视野。

因为迄今为止的研究倾向于将更高等的陆地植物那样复杂的苔藓、轮藻、鞘毛藻误认为陆地植物的可能祖先。 这一新发现的物种与双星藻纲的很多物种一样，以单细胞或简单的线状形式存在。

论文通信的作者，德国科隆大学教授迈克尔melkonia介绍，该校藻种中心提供的双星藻纲2种Spirogloea muscicola和Mesotaenium endlicherianum分别用华大基因完成了全基因组序列分析。

通过系统分类和比较进化基因组学的研究，Spirogloea muscicola首次被报道，证实了新的鉴定分类属于spirogloloeveophycidae的新种，双星藻纲是最接近最初分化的陆地植物共同祖先的基部种类。

科学家惊讶的是，迄今为止被认为是植物荷尔蒙、抵抗、抗旱性、强紫外线耐性、与细菌/真菌共生等只有陆地植物特有的基因家族，在这个新的发现种中大量存在，细胞壁也接近陆地植物。

“登陆前，双星藻纲的基因组和遗传代谢具有相当大的基因组创新，获得了大量的新基因和家族扩增，已经做好了遗传物质的准备以适应陆生生活。”Melkonian说。

另外，该小组还检测出了该基因组中有名的最近全基因组的三倍化事件。 根据1000种绿色植物的转录组图，全基因组的倍增事件在藻类中极为罕见，但在双星藻纲分支中的某些物种中检测出丰富的倍增信号。

“基因和全基因组的复制是生命从简单进化到复杂的重要原动力之一。 双星藻纲可能频繁发生全基因组复制事件，适应与陆地环境的关系，是一个值得进一步深入研究的话题。 程时锋说。

从土壤细菌中“借”重要的基因

在祖先绿藻和陆生植物共有的大量基因中，GRAS和PYL这两个基因家族备受瞩目。

GRAS是植物研究中的明星基因之一，功能上是“多才多艺”，与植物生长、发育和抵抗等多种重要代谢途径有关的PYL基因是脱落酸ABA基因途径的重要受体因子。

科学家们发现祖先绿藻的这两个重要基因是从土壤细菌中“借”来的。 “这实际上是植物共同祖先自然发生的“基因工程事件”，是常见的“转基因”事件，陆地植物祖先也是适应陆地生存环境的重要分子驱动力”据时前线分析，分子系统的进化分析显示，这源于6亿年前土壤细菌发生的水平基因转移事件，与植物陆地化事件的化石时间一致

科学家相信，这一水平的基因转移事件是陆地植物祖先获得功能和适应性的“历史飞跃”的重要一步，在以后的5亿年中绿色植物对占领地球发挥了极其重要的作用。

“基因组学时代，系统比较进化基因组学是从基因水平上发掘研究祖先植物陆地化分子基础的强有力战略”，时锋认为，从自然多样性的种质资源中得到启发，进行目标功能基因的筛选和发掘，是当今农业育种家们应面临的重要内容。

论文信息:

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

https://doi.org/10.1038/s 41586-019-1693-2