作者:程时锋等 来源:《细胞》 发布时间:2019/11/23 16:43:32
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植物祖先借细菌基因成功登陆

 

A为轮藻目, B为鞘毛藻目,C为双星藻纲,D为苔类。中国农科院基因组所供图

化石证据表明,数亿年前,某种绿藻成功战胜干旱的环境,登上陆地,成为陆生植物的祖先。从此,地球开始慢慢变绿,进化出陆生植物,并支撑起整个陆生动物系统,包括人类。

然而,现存陆地植物的共同祖先起源于哪个类群?第一个真正的绿色植物如何一步步从水生演化到陆生?对此,科学家们一直没有停止过追问。

11月14日,《细胞》发表的最新研究成果回答了上述问题。

中国农科院基因组所研究员程时锋团队与来自德国、加拿大、俄罗斯的科学家联合证明,一个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。之前被认为是陆地植物才有的很多转录因子,在该绿藻基因组上都能找到其祖先起源的“根”。

陆地植物共同祖先

光合真核生命起源于约15亿年前的海洋,在水中生活了10亿年之久才登上陆地。

论文第一作者程时锋告诉《中国科学报》,该研究团队参与的另一项研究——1000种绿色植物的转录组进化分析,近期发表在《自然》杂志上。

科学家发现,陆地植物祖先的起源,即陆地化,涉及到大量的基因创新和基因家族膨胀,是植物进化中的关键一步。植物陆地化是一个漫长而复杂的演化过程,一些地理生境出现周期性干涸的现象,如形成小水坑、河床、近海泥沼等。植物祖先开始与土壤细菌混合互作,并发展出新的营养获取方式,逐渐赋予第一个陆地植物和它的后代适应恶劣环境的能力,最终形成我们今天看到的丰富多样的陆生植物群落。

“植物陆地化事件深刻地改变了整个生态系统,是地球表面‘变绿’和多样性爆发的起点,为高等生命,包括人类提供了氧气、食品等必需的生存和发展的基础。”论文通讯作者、加拿大阿尔伯塔大学教授Gane Ka-Shu Wong说。

实际上,在过去几十亿年的生命演化过程中,有多个类群的光合真核生物均曾突破干旱适应,成功登陆过。

但几乎所有的化石与分子证据均表明,现存陆地植物的起源来源于一次单一登陆事件,其共同的祖先属于一种叫做链型藻类的某个支系。植物分类学家和进化学家们都做过不同的研究,分析过最简单原始的基部陆地植物,如藓、苔/角苔类植物。

“未上岸先适应”

单细胞绿藻Spirogloea muscicola此前从未进入科学家的视野。

之前的研究总倾向于把更像高等陆地植物的复杂苔藓、轮藻或鞘毛藻当成陆地植物可能的祖先。而这个新发现的物种,像双星藻纲的大多数物种一样,是以单细胞或简单的丝状形式存在。

论文通讯作者、德国科隆大学教授Michael Melkonian介绍,该校藻种中心提供的双星藻纲的两个物种Spirogloea muscicola 和 Mesotaenium endlicherianum,均在华大基因完成全基因组测序工作。令科学家感到惊讶的是,此前被认为只有陆地植物特有的核心基因家族,如植物激素、抗逆、抗干旱、抗强紫外线、与细菌/真菌共生等,在这个新发现物种中大量存在,其细胞壁也更接近于陆地植物。

“在登陆之前,双星藻纲的基因组和遗传代谢已经有了相当的基因组创新,获得了大量的新基因或家族扩增,为适应陆生生活做好了遗传物质准备。”Melkonian说。

另外,该团队在基因组中检测到了一次显著的近期全基因组三倍化事件。根据1000种绿色植物的转录组图谱,全基因组多倍化事件在藻类中极其少见,但双星藻纲分支中的部分物种有较丰富的多倍化信号能被检测到。

“借来”关键基因

在祖先绿藻和陆生植物共享的大量基因中,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,在功能上与植物生长、发育和抗逆等很多重要代谢途径相关;而PYL基因则是脱落酸ABA遗传通路中重要的受体因子。

科学家发现,祖先绿藻上的这两个关键基因是从土壤细菌中“借”来的。“这其实是植物的共同祖先自然发生的一次‘遗传工程事件’,就是人们常说的‘转基因’事件,也是陆地植物祖先适应陆地生境的关键分子驱动力。”程时锋说,通过分子系统进化分析发现,这起源于6亿年前一次来自土壤细菌的水平基因转移事件,与植物陆地化事件的化石时间相吻合。

科学家相信,这一水平基因转移事件是陆地植物祖先获得功能与适应性上“历史性飞跃”的关键一步,为后来5亿年中绿色植物逐渐占领地球奠定了坚实的基础。(来源:中国科学报 李晨)

相关论文信息:

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

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

《中国科学报》 (2019-11-19 第1版 要闻)
 
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