科學家在半水生藻類基因組中找到了陸地植物起源的部分秘密

瑪格麗塔柱形鼓藻。圖片：康奈爾大學

生命最初在水中產生，並且在海洋中發展了二十幾億年。最終，一部分生命登上了陸地，造就了我們現在看到的多姿多彩的地球。到目前為止，我們仍無法找到最初登上陸地的植物，僅有的證據來自化石孢子 – 植物繁殖的種子。

最早的陸地植物隱孢子化石

最近，康奈爾大學的科學家在植物進軍陸地的研究中取得了突破性的進展。他們的論文「瑪格麗塔柱形鼓藻（Penium Margaritaceum）基因組：陸地植物起源的標誌」於5月21日發表在《細胞》雜誌上。

瑪格麗塔柱形鼓藻是一組淡水藻類，屬於輪藻門，雙星藻綱，鼓藻目，與約6億年前的第一批陸地植物有著共同的祖先。為了從水中轉移到土地上生活，植物必須能夠防止脫水以及承受紫外線（UV）的輻射，由於失去了水的浮力，它們還需要更強的結構來支撐自己的身體。

研究最早的陸地植物的表親，能夠為水生植物如何首次占領陸地提供許多有趣的線索。

科學家在柱形鼓藻基因組中發現了所有適應陸地生活的痕跡，這有助於了解早期陸地植物所需的機制和遺傳。

儘管輪藻門中的某些藻類是分枝狀的，看起來像早期的陸地植物，但分子數據顯示，他們的共同祖先具有較簡單的絲狀形狀。

樹枝狀的輪藻門植物

這種簡單的形狀在進化上是否是有利的？柱形鼓藻生活在淡水和土地的邊緣，它的棲息地時而乾燥時而潮濕，這可能是一個關鍵因素。

即使它們只是微小的單細胞藻類，柱形鼓藻的基因組非常龐大，甚至比玉米基因組和人類基因組還要大。

柱形鼓藻基因組包含大量重複和「垃圾」（非編碼）DNA，這給科學家帶來了挑戰。他們不得不設法剔除某些基因，同時整合了多種DNA測序和組裝技術以覆蓋整個基因組。

基因組有很高比例的重複序列，這些序列與大規模的基因片段複製有關，可能促進了新功能化。

科學家還進行了先進的轉錄組（RNA）測序，以補充基因組測序，並了解哪些基因在不同的壓力下打開和關閉。

另一個重大結果是發現了類黃酮化合物，它們可以防止紫外線輻射。以前認為這些化合物僅存在於陸地植物中。科學家不僅檢測到了類黃酮，而且還檢測到了其部分生物合成途徑。

在基因組中找到了限制水分流失的植物疏水性聚合物的進化起源。

科學家還確定了調控系統和激素信號傳導相關的基因，這些基因以前僅在陸地植物中發現，它們會與阻止植物乾燥的機制 - 包括黏液的產生 - 同時出現。

他們還發現了許多有助於細胞壁合成和重組的基因，這是產生支撐結構所必需的。

即使是單細胞生物，柱形鼓藻擁有大量的細胞壁修飾蛋白。這表明它可以像多細胞陸地植物一樣對細胞壁結構、動力學和生物力學的進行高度複雜的控制。

我們以前幾乎不了解任何陸地植物直系祖先的基因組。通過對瑪格麗塔柱形鼓藻基因組的分析，我們對陸地植物的最後祖先有了激動人心的發現，這使科學家家能夠推斷出陸地植物分子的進化途徑、系統發展和生物過程的起源。