一场始于5亿年前的变革

” 植物,无论是大是小,都是所有生命的基础。” 这是大卫 · 爱登堡对著名纪录片《绿色星球》的介绍。

在过去的 5 亿年里,植物影响了这个星球的方方面面。如今,它们支持着地球上其他所有生命,提供了人们呼吸所需的氧气、赖以生存的清洁空气,并冷却了地球。

但如果没有水,植物就无法生存。植物最初出现在水生环境中,据估计,约有 50 万种陆地植物是由漂浮在水中的单一祖先产生的。

在一篇近日发表在《新植物学家》上的论文中,研究团队从基因层面研究了植物在进化过程中是如何 ” 学会 ” 利用水的。在植物发展的历史上,水作为一种关键的进化驱动因素,使得关键的基因 ” 采取 ” 各种策略不断发展,让寒武纪时期(约 5 亿年前)最早生活在陆地上的微小苔藓类植物,逐步演变成了今天形成复杂森林生态系统的巨大树木。

植物是如何进化的 ?

植物与水的关系在过去 5 亿年里发生了巨大的变化。植物在迁移到陆地之前,生活在淡水和海洋栖息地。水棉(Spirogyra)是当时具有代表性的植物之一,它们随波逐流,贪婪地吸收着周围的水。但这些陆地植物的祖先自身调节水的能力非常有限

当植物首次来到陆地上定植时,它们首先面临的挑战是需要找到一种新的方式来获取营养和水,而不必时时刻刻浸泡在水中。它们遇到的下一个挑战是如何增加尺寸。最终,植物进化到了甚至能够在非常干旱的环境中生存,比如沙漠。

这些基因的进化对植物的生存至关重要,但它们是如何帮助植物首先适应并在陆地上茁壮成长的呢?

研究团队分析比较了 500 多个基因组,发现植物解剖学中涉及水分运输的不同部分,包括孔隙(气孔)、维管组织和根部,与不同的基因进化方法有关。这个历程告诉了我们植物在其历史上的不同时刻是如何以及为什么进化的。

陆地生命的关键性适应

气孔是叶子和茎表面的细小孔隙,当它们打开时,可以吸收二氧化碳,关闭时则能尽量减少水分流失。

新的研究发现,参与气孔发展的基因存在于第一批陆地植物中。这说明,第一批陆地植物就已经拥有了构建气孔的遗传工具,这是陆地生命的一个关键性适应。

气孔结构示意图。| 图片来源:Ali Zifan / Wikicommons

气孔开合的反应速度取决于物种。比如,雏菊的气孔比蕨类植物的气孔关闭得更快。研究表明,第一批陆地植物的气孔确实关闭了,但随着时间的推移,这种开合能力随着物种的繁殖而加快了

基因复制会让一个基因出现两个副本,这就可以让其中一个执行其原来的功能,而另一个进化出一个新的功能。有了这些新的基因,从种子生长出来的植物的气孔就能更快地关闭和打开,使它们更适应环境条件。

旧基因的新花招

维管组织是植物的管道系统,帮助水分在植物内部输送,并在尺寸上有所突破。如果你见过被砍伐的树木的年轮,那就是维管组织生长的残存。

维管束显微照片。| 图片来源:Berkshire Community College Bioscience Image Library

研究发现,维管组织不是通过新的基因进化的,而是通过一种基因修补的过程出现的。也就是说,旧基因被改换了用途,从而获得新的功能。这表明,进化并不总是通过新基因发生的,而是老基因可以学习新的技巧。

关键的新基因

除了气孔和维管组织,植物还需要获得一项关键的能力,才能在陆地上真正 ” 立足 “。根的进化让植物能够从土壤深处获得水,并提供锚定

研究发现,生活在陆地上的植物和有种子的植物的祖先中出现了一些关键的新基因,对应着根毛和根的发展。这表明了复杂的根系统的重要性,它们让古老的植物有能力获得从前无法得到的珍贵水分。

植物与水的关系是以循序渐进的方式演变的。这张图展示了植物的进化关系,下方的黑色剪影说明了每个类群的物种。指向不同的水调节创新点的虚线表示它们的起源,每种颜色对应着一个创新点,说明与每种创新相关的遗传机制。符号说明显示了方框内的新基因、复制基因和增补基因的数量。主要的植物类群在底部以色块分类。从图中可以看出气孔、维管组织和根的相关基因在进化中采用了不同 ” 策略 “。| 图片来源:Bowles, A. et al. ( 2022 )

水作为一种驱动植物进化的重要因素,让这些特征在植物历史上的每一个重要步骤中不断发展,最终形成了我们如今的绿色星球。这种针对基因层面的分析,让我们对植物进化的遗传基础和多样化过程有了新的认识。

未来的植物世界

除了帮助我们了解过去之外,这项研究对未来同样很重要。

通过了解植物是如何进化的,我们可以开始了解其生长过程的一些限制性因素。比如,如果研究人员能够确定一些关键基因的功能,就可以开始改善作物物种利用水以及抗旱的能力。这对粮食安全具有特别重要的意义。

植物也可能帮助解决一些目前面临的最紧迫的问题,比如减少人类对化肥的依赖,同时提高农业的可持续性,并降低温室气体的排放。

如今,找到在我们的绿色星球上更和谐生活的方法非常重要。

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