一場始於5億年前的變革

「植物,無論是大是小,都是所有生命的基礎。」這是大衛·愛登堡對著名紀錄片《綠色星球》的介紹。

在過去的5億年裡,植物影響了這個星球的方方面面。如今,它們支持著地球上其他所有生命,提供了人們呼吸所需的氧氣、賴以生存的清潔空氣,並冷卻了地球。

但如果沒有水,植物就無法生存。植物最初出現在水生環境中,據估計,約有50萬種陸地植物是由漂浮在水中的單一祖先產生的。

在一篇近日發表在《新植物學家》上的論文中,研究團隊從基因層面研究了植物在進化過程中是如何「學會」利用水的。在植物發展的歷史上,水作為一種關鍵的進化驅動因素,使得關鍵的基因「採取」各種策略不斷發展,讓寒武紀時期(約5億年前)最早生活在陸地上的微小苔蘚類植物,逐步演變成了今天形成複雜森林生態系統的巨大樹木。

植物是如何進化的?

植物與水的關係在過去5億年裡發生了巨大的變化。植物在遷移到陸地之前,生活在淡水和海洋棲息地。水棉(Spirogyra)是當時具有代表性的植物之一,它們隨波逐流,貪婪地吸收著周圍的水。但這些陸地植物的祖先自身調節水的能力非常有限

當植物首次來到陸地上定植時,它們首先面臨的挑戰是需要找到一種新的方式來獲取營養和水,而不必時時刻刻浸泡在水中。它們遇到的下一個挑戰是如何增加尺寸。最終,植物進化到了甚至能夠在非常乾旱的環境中生存,比如沙漠。

這些基因的進化對植物的生存至關重要,但它們是如何幫助植物首先適應並在陸地上茁壯成長的呢?

研究團隊分析比較了500多個基因組,發現植物解剖學中涉及水分運輸的不同部分,包括孔隙(氣孔)、維管組織和根部,與不同的基因進化方法有關。這個歷程告訴了我們植物在其歷史上的不同時刻是如何以及為什麼進化的。

陸地生命的關鍵性適應

氣孔是葉子和莖表面的細小孔隙,當它們打開時,可以吸收二氧化碳,關閉時則能儘量減少水分流失。

新的研究發現,參與氣孔發展的基因存在於第一批陸地植物中。這說明,第一批陸地植物就已經擁有了構建氣孔的遺傳工具,這是陸地生命的一個關鍵性適應。

氣孔結構示意圖。| 圖片來源:Ali Zifan / Wikicommons

氣孔開合的反應速度取決於物種。比如,雛菊的氣孔比蕨類植物的氣孔關閉得更快。研究表明,第一批陸地植物的氣孔確實關閉了,但隨著時間的推移,這種開合能力隨著物種的繁殖而加快了

基因複製會讓一個基因出現兩個副本,這就可以讓其中一個執行其原來的功能,而另一個進化出一個新的功能。有了這些新的基因,從種子生長出來的植物的氣孔就能更快地關閉和打開,使它們更適應環境條件。

舊基因的新花招

維管組織是植物的管道系統,幫助水分在植物內部輸送,並在尺寸上有所突破。如果你見過被砍伐的樹木的年輪,那就是維管組織生長的殘存。

維管束顯微照片。| 圖片來源:Berkshire Community College Bioscience Image Library

研究發現,維管組織不是通過新的基因進化的,而是通過一種基因修補的過程出現的。也就是說,舊基因被改換了用途,從而獲得新的功能。這表明,進化並不總是通過新基因發生的,而是老基因可以學習新的技巧。

關鍵的新基因

除了氣孔和維管組織,植物還需要獲得一項關鍵的能力,才能在陸地上真正「立足」。根的進化讓植物能夠從土壤深處獲得水,並提供錨定

研究發現,生活在陸地上的植物和有種子的植物的祖先中出現了一些關鍵的新基因,對應著根毛和根的發展。這表明了複雜的根系統的重要性,它們讓古老的植物有能力獲得從前無法得到的珍貴水分。

植物與水的關係是以循序漸進的方式演變的。這張圖展示了植物的進化關係,下方的黑色剪影說明了每個類群的物種。指向不同的水調節創新點的虛線表示它們的起源,每種顏色對應著一個創新點,說明與每種創新相關的遺傳機制。符號說明顯示了方框內的新基因、複製基因和增補基因的數量。主要的植物類群在底部以色塊分類。從圖中可以看出氣孔、維管組織和根的相關基因在進化中採用了不同「策略」。| 圖片來源:Bowles, A. et al. (2022)

水作為一種驅動植物進化的重要因素,讓這些特徵在植物歷史上的每一個重要步驟中不斷發展,最終形成了我們如今的綠色星球。這種針對基因層面的分析,讓我們對植物進化的遺傳基礎和多樣化過程有了新的認識。

未來的植物世界

除了幫助我們了解過去之外,這項研究對未來同樣很重要。

通過了解植物是如何進化的,我們可以開始了解其生長過程的一些限制性因素。比如,如果研究人員能夠確定一些關鍵基因的功能,就可以開始改善作物物種利用水以及抗旱的能力。這對糧食安全具有特別重要的意義。

植物也可能幫助解決一些目前面臨的最緊迫的問題,比如減少人類對化肥的依賴,同時提高農業的可持續性,並降低溫室氣體的排放。

如今,找到在我們的綠色星球上更和諧生活的方法非常重要。

#創作團隊:

原文作者:Alexander Bowles(布里斯托大學博士後副研究員)

編譯:Takeko

排版:雯雯

#參考來源:

https://theconversation.com/how-ancient-plants-learnt-to-use-water-when-they-moved-on-to-land-new-research-177009

https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.17981

http://www.bristol.ac.uk/news/2022/february/plants-evolved-to-colonise-land.html

#圖片來源:

封面圖:pixabay

首圖:pixabay

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