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【深圳商报】植物如何从海洋走向陆地?深圳科学家领衔在《细胞》揭晓陆地植物共同祖先

2019-11-19 12:00:00来源:

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海洋是生命起源的摇篮,而生命,特别是植物,是如何从海洋走向陆地的呢?北京时间11月15日零点,世界三大顶级期刊之一的《细胞》(CELL)在线发表了植物祖先陆地化研究成果,为人们揭晓了答案。

▲文章题目及摘要

该项研究成果由中国农科院深圳农业基因组所(下称“基因组所”)程时锋研究员团队与德国、加拿大、俄罗斯及深圳华大基因的科学家联合完成,程时锋为该文第一作者,德国科隆大学教授MichaelMelkonian及加拿大阿尔伯塔大学教授GaneKa-ShuWong为该文共同通讯作者,基因组所实习研究员冼文飞为共同第一作者。项目受深圳市科创委、中国农业科学院创新工程、广东省岭南实验室和华大基因资助。

植物陆地化改变了整个生态系统

生命的起源与进化,一直是科学家孜孜不倦探索的主题。

科研人员表示,最早的原核细菌起源于38亿年前的海洋,光合真核生命起源于约15亿年前;约5至6亿年前,发生了绿藻陆地化事件,陆地植物的祖先开始了从简单到复杂、从水生向陆地的进化。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链型藻类的某一个支系。

绿藻及陆地植物祖先演化树

15日发表的论文报道了两个单细胞绿藻基因组,及其如何在5亿年前突破干旱适应成功登陆的分子机制,揭示了陆地植物祖先“借用”土壤细菌基因的遗传物质创新以驱动漫长的陆地化进程。

“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,植物开始与土壤细菌混合互作和发展出新的营养获取方式,逐渐赋予第一个陆地植物和它们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。”该项目国际联盟合作主导者之一、中国农科院创新工程首席科学家程时锋表示,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”和生物多样性爆发的起点,为包括人类在内的高等生命提供了呼吸和饮食等生存和发展的基础。

陆地植物祖先的基因组原来长这样

要弄清楚发生在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。

研究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,分别在华大基因完成全基因组测序。研究发现,这两个绿藻的基因组都很小,只有160至170Mb。通过系统分类与比较进化基因组学研究,证实了其中之一的陆地植物祖先单细胞绿藻(spirogloea)为首次报道且来源于一个新鉴定分类属的新物种;并且进一步证明其为双星藻纲最早分化出来的最接近陆地植物共同祖先的基部物种。

▲首次报道且来源于一个新鉴定分类属的新物种:陆地植物祖先单细胞绿藻(spirogloea)

“这一结论令人惊讶,在该成果发表前,人们一直不知道真正陆地植物祖先是谁,其基因组长啥样,网络上也找不到任何关于这个藻种的其他描述。”程时锋告诉记者,双星藻纲大多数物种是以单细胞或简单的丝状形式存在,所以此前科学研究总倾向于把更像高等陆地植物的复杂苔藓或轮藻或鞘毛藻误当成陆地植物的可能祖先。

与其他分支的绿藻相比,陆地植物祖先单细胞绿藻(spirogloea)基因组有更多的与抗逆、抗干旱、抗强紫外线等相关的转录因子,与陆地植物共享着植物激素、与细菌/真菌共生等大量此前被认为是陆地植物才特有的核心基因家族;其细胞壁的结构也更接近于陆地植物。登陆前,陆地植物祖先单细胞绿藻(spirogloea)的基因组和遗传代谢已有相当的基因组创新,获得了大量的新基因或家族扩增,为适应陆生生活早做好了遗传物质准备。

植物的共同祖先起源一次“转基因”事件

更重要的是研究团队发现陆地植物共同祖先的基因组从土壤细菌中“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。

GRAS是植物研究中的明星基因之一,与植物生长、发育和抗逆等很多重要代谢途径相关;PYL是脱落酸ABA遗传通路中重要的受体因子。团队首次证明植物的共同祖先起源一次水平基因转移事件,通过分子系统进化分析,发现该事件发生在约6亿年前,正好与植物陆地化化石时间吻合。

水平基因转移事件是一个长期具有争议性的话题,很多研究认为该现象只存在于原核生命中(如细菌之间),从细菌到高等真核生物的极其罕见。研究团队通过严谨的科学手段,证实了GRAS与PYL确是一次从土壤细菌转移至绿藻与陆地植物共同祖先的水平基因转移事件。

据推测,水平基因转移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的进程中扮演了极其重要的角色。

“这其实是陆地共同祖先自然发生的一次‘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。”程时锋谈到。

 

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