【新京报】陆地植物的水生祖先是谁？最新研究终于找到了

　　现存所有陆地植物，都有同一个“祖先”，它属于一种“链型藻类”的某一个分支

　　地球诞生于45亿年前，最早的生命出现在大约38.5亿年前，但直到5亿年前，生命都只能在水中生存。5亿年前，一个名为“绿藻陆地化”的事件发生在地球上，这一事件发生后，陆地上才逐渐有了生命，人类出现的基础也由此诞生。

　　然而，5亿年前，水中的生物到底是如何“走”向陆地的？这一直都是一个谜题。日前，通过基因技术，中国农业科学院基因组所程时锋团队，联合来自德国、加拿大、俄罗斯与深圳华大基因的科学家，报道了两个最新单细胞绿藻基因组，及其与陆地植物共同祖先在5亿年前突破干旱适应成功登陆的分子机制。这一成果日前被国际权威期刊《细胞》在线发布。

　　沧海变成桑田后，生物的登陆之旅

　　15亿年前，光合真核生物诞生在海洋中，在此后10亿年的漫长岁月中，这些生物“安逸”地生活在大海中，进化缓慢。

　　大约5亿年前，随着地球环境的逐渐变化，一些水域开始出现周期性干涸，形成一个个小水坑、河床、近海泥沼等。降雨连绵不断，湖泊与河流开始星罗棋布，有些直通入海口，打通了海洋和内陆的连接枢纽，为生命的迁移提供了更广阔的天地。一些海洋绿藻开始向淡水进发，逐渐向潮湿的陆地迈进，在与土壤细菌的相互作用过程中，逐渐摆脱水体的依附，发展出新的营养获取方式。

　　第一个陆地生物出现了，它以及它的后代有了适应“恶劣”环境的能力，并在此基础上，不断进化和分化，最终形成了丰富的陆生植物群落，也就是今天的模样。

　　植物陆地化事件，深刻改变了整个地球的生态系统，首先，它是地球表面“变绿”，和生物多样性爆发的起点。在此之前，地球毫无生机，处处都是乱石荒漠，一些地方还冒着火山爆发的浓烟。其次，绿色植物生物多样性为高等生命，包括人类，提供了生存和发展所必须的资源，比如氧气、食品、天然药物等。

　　谁是植物的祖先？

　　海洋绿藻的“登陆大作战”，成为了地球生物演化中至关重要的一环，对于人类也是如此，如果没有那一次登陆，可能就不会出现人类。

　　从原始海洋中成功登陆的远古生物，不止一种。在漫长的进化中，有多个类群的光合真核生物都曾经突破干旱的封锁，成功适应新的环境，并登陆到陆地上。但是，几乎所有的化石和分子证据均表明，现存陆地植物的起源，来自于一次单一的登陆事件。也就是说，现存所有陆地植物，都有同一个“祖先”，它属于一种“链型藻类”的某一个分支。

　　过去，植物学家和进化学家做过很多不同的研究，他们分析过最简单原始的基部陆地植物，比如藓、苔/角苔类植物等。然而，现存陆地生物共同的祖先到底是哪个类群？第一个真正的绿色植物是如何从水生到陆生一步步演化成功的？在过去的时间里，这一谜题仍未被解开

　　“当我们无法鉴定到正确的物种并将其定位到正确的系统发育树上时，很多生物学和进化问题就无法很好地回答”，程时锋说道，他是该文章第一作者，国际联盟合作主导者之一，现任中国农科院创新工程团队首席科学家，基因组所研究员，“弄清楚发生在5亿年前的植物祖先陆地化的分子机制，是一件很难却很有趣的事情”，程时锋补充道。

　　一个还未上岸就先适应的单细胞

　　此次，中国科学家联合多国科学家，组成研究团队。团队获取了来自德国科隆大学藻种中心双星藻纲中的两个物种，并分别完成了基因组测序工作。

　　通过系统分类与比较进化基因组学研究，证实了两种物种中的一个——绿藻：Spirogloea muscicola，这是一种首次被报道且来源于一个新鉴定分类属的新物种。研究还进一步证明，Spirogloea muscicola是双星藻纲最早分化出来、最接近陆地植物共同祖先的基部物种。

　　程时锋说，“这一结果令人惊讶，它是新发现的，也就意味着人们一直都不知道陆地植物真正的祖先基因到底是什么样的。更意外的是，双星藻纲的大多数物种是以单细胞或者简单的丝状形式存在的；这或许是为什么过去科学家们忽视它的原因之一，因为人们更倾向于研究那些更复杂、更像高等植物的苔藓、轮藻或鞘毛藻。”

　　科学家们在新物种中发现了与抗逆、抗干旱、抗强紫外线相关的转录因子，这些转录因子比其他绿藻中更多。某些核心基因家族，如植物激素合成与代谢、与细菌/真菌共生等，在以前通常认为是陆地植物特有的，我们基本能在该新测绿藻中找到其祖先的起源。程时锋说，“陆地植物的水生祖先，在登陆之前，已经获得了大量的新基因，为适应陆生生活做好了准备”。

　　“借来”的基因，成为陆地化的驱动力

　　在研究中，科学家发现，Spirogloea muscicola这个绿色植物共同的祖先，在土壤细菌中 “借来”了两个关键基因，GRAS和PYL，这是陆地植物祖先适应陆地生境的关键分子信号。这相当于植物的共同祖先发生了一次“遗传工程事件”，也就是人们常说的“转基因”事件，只是背后的操作者是大自然。

　　GRAS是植物研究中的明星基因之一，它“多才多艺”，和植物生长、发育及抗逆性等很多方面都有密切的关系。GRAS家族里面NSP1，NSP2，RAM1等亚家族，是调控菌枝丛根、结瘤共生固氮等遗传通路的重要因子。而PYL基因则是脱落酸ABA遗传通路中重要的受体因子(receptor)。这些基因和功能之前一直认为只有陆地植物才特有。

　　程时锋说，“团队第一次在该研究中将其‘祖先的根’追溯到了双星纲藻的两个基因组上，并证明其起源于一次从土壤细菌中来的水平基因转移（HGT）事件。而且，通过分子系统进化分析，发现该HGT事件发生的时间约为6亿年前，正好与植物陆地化的化石时间吻合。同时，该HGT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，为后来绿色植物逐渐占领地球扮演了极其重要的角色。”

　　新京报记者 周怀宗