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我科學家揭示種子植物崛起的秘密

發(fā)布時間:2023-11-09 10:18:00來源: 光明網(wǎng)-《光明日報》

  光明日報上海11月7日電(記者顏維琦)我們身邊有形形色色的植物,其中絕大多數(shù)屬于能夠開花結(jié)果的種子植物。據(jù)估計,目前世界上的植物種類高達30多萬種,其中2/3屬于種子植物。最早的種子植物出現(xiàn)在3.6億年前的泥盆紀,然而直到數(shù)千萬年之后的石炭紀末期,種子植物才開始崛起,并逐漸在二疊紀末期取代蕨類植物成為地球的霸主,地球也因此進入中生代。然而,種子植物為什么會在古生代晚期開始崛起?至今,這仍是未解之謎。6日,國際學術(shù)期刊《自然·植物》在線發(fā)表了中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心晁代印研究組聯(lián)合湖北大學生命科學學院呂世友研究組合作完成的一項研究,該研究首次從特化細胞壁進化的角度揭示種子植物崛起的奧秘。

  根系是植物吸收和運輸水分及礦質(zhì)營養(yǎng)的關(guān)鍵器官,在植物演化過程中扮演重要作用。早在種子植物形成之前,根就在石松植物、蕨類植物和種子植物的共同祖先中出現(xiàn)了,但其結(jié)構(gòu)和功能一直處于進化之中。合作課題組利用18個不同進化節(jié)點中的代表性植物物種,系統(tǒng)開展根系內(nèi)皮層凱氏帶和木栓質(zhì)片層起源的研究。該研究發(fā)現(xiàn),凱氏帶存在于包括石松類、蕨類、裸子植物以及被子植物在內(nèi)的所有維管植物,而木栓質(zhì)片層僅存在于包括裸子植物和被子植物在內(nèi)的種子植物中。這些證據(jù)表明,凱氏帶起源于所有維管植物的共同祖先,而木栓質(zhì)片層則在更晚的種子植物共同祖先中才被進化出來。這一結(jié)果推翻了植物學界長期以來關(guān)于木栓質(zhì)片層和凱氏帶共同起源的觀點,為研究木栓質(zhì)片層的進化提供了新視角。

  該研究的分子進化分析發(fā)現(xiàn),大部分木栓質(zhì)形成相關(guān)基因在種子植物的共同祖先中出現(xiàn)了大規(guī)模擴張,導致了基因功能的創(chuàng)新,使得原本沒有木栓質(zhì)合成能力的基因獲得了合成木栓質(zhì)的功能。研究者利用木栓質(zhì)缺失的遺傳材料,發(fā)現(xiàn)缺失了木栓質(zhì)的擬南芥對于干旱更為敏感,并隨后揭示木栓質(zhì)片層對于植物維管水分的運輸效率具有極其重要意義。而與此結(jié)果一致的是,地質(zhì)學家早就發(fā)現(xiàn)種子植物崛起、蕨類植物衰落的古生代末期,正是地球從濕潤轉(zhuǎn)入干旱的時期。

  據(jù)此,研究者們提出了一個全新的種子植物崛起模型:石炭紀濕潤的氣候下沒有木栓質(zhì)片層的蕨類植物水分和營養(yǎng)吸收效率更高,更能適應當時的環(huán)境,因此更為繁榮;而在石炭紀晚期開始的干旱氣候下,進化出了木栓質(zhì)片層的種子植物具備了更高效的水分運輸效率,具有了更強的干旱適應能力,從而能夠逐漸取代蕨類植物,成為地球表面的霸主。

  該研究不僅揭示了凱氏帶和木栓質(zhì)的起源之謎,并且從一個嶄新的角度首次證實,木栓質(zhì)的出現(xiàn)是促進種子植物崛起的驅(qū)動力。此外,研究發(fā)現(xiàn)了木栓質(zhì)片層在植物應對干旱等逆境脅迫中發(fā)揮的重要作用,對提高植物的抗旱性、解析植物耐鹽耐旱機制以及研發(fā)抗旱新品種等具有重要價值。

  《光明日報》(2023年11月08日 10版)

(責編:李雨潼)

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