A、B、C、D分別為輪藻科、鞘翅目、片麻巖科、苔類植物電鏡圖。 (資料圖片)

生命起源于海洋。但遠(yuǎn)古海洋中的綠藻，是如何登上陸地并演化成陸地上千姿百態(tài)的植物群落的?長(zhǎng)期以來(lái)一直是科學(xué)界研究的焦點(diǎn)。

日前，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院基因組所合成生物學(xué)中心程時(shí)鋒團(tuán)隊(duì)聯(lián)合多位科學(xué)家發(fā)布一項(xiàng)重大成果：他們發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)最新單細(xì)胞綠藻的基因組，成功揭示了其與陸地植物共同祖先，在5億年前突破了干旱適應(yīng)成功登陸的分子機(jī)制。

地球上的生命從誕生，到海洋出現(xiàn)，再到出現(xiàn)原核生命、真核生命，經(jīng)歷了數(shù)十億年的漫長(zhǎng)進(jìn)化。長(zhǎng)期以來(lái)，有關(guān)遠(yuǎn)古海洋中的綠藻，是如何登上陸地并演化成陸地上千姿百態(tài)的植物群落的疑問(wèn)，一直是科學(xué)界研究的焦點(diǎn)。

日前，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院基因組所合成生物學(xué)中心程時(shí)鋒團(tuán)隊(duì)聯(lián)合德國(guó)、加拿大、俄羅斯與深圳華大基因的科學(xué)家發(fā)布一項(xiàng)重大成果，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)最新單細(xì)胞綠藻的基因組，揭示了其與陸地植物共同祖先在5億年前突破了干旱適應(yīng)成功登陸的分子機(jī)制。該成果已于11月14日在線發(fā)表于國(guó)際權(quán)威期刊《細(xì)胞》上。

海洋生物的“登陸”之謎

約15億年前，當(dāng)陸地上還不存在任何生命之時(shí)，海洋中出現(xiàn)了可以進(jìn)行光合作用的真核生命。此后的數(shù)億年里，原始的藻類在海洋中大量形成。任何生命都有進(jìn)化、發(fā)展的本能，大約5億至6億年前，生活在海洋中的藻類開(kāi)始蠢蠢欲動(dòng)，向陸地進(jìn)發(fā)，出現(xiàn)了植物陸地化事件。

這是一個(gè)漫長(zhǎng)而復(fù)雜的演化過(guò)程，原本生活在水中的藻類，如何適應(yīng)土壤生存，怎么獲取水分、養(yǎng)分，這些現(xiàn)在看起來(lái)好像很容易達(dá)成的能力，在數(shù)億年前，是生命體進(jìn)化過(guò)程中無(wú)法逾越的巨大鴻溝。

在潮起潮落、滄海桑田的跌宕變遷中，地球上的地理生境也發(fā)生了巨大改變。江河湖泊、河床、近海泥沼、水坑等開(kāi)始出現(xiàn)，許多地方的咸水慢慢演變成淡水。與此同時(shí)，藻類開(kāi)始與土壤細(xì)菌混合互作，并發(fā)展出新的營(yíng)養(yǎng)獲取方式。又經(jīng)過(guò)了數(shù)億年的演變，這些藻類進(jìn)化出了維管植物、裸子植物、被子植物，并最終形成我們今天千姿百態(tài)的陸生植物群。

植物陸地化事件深刻改變了整個(gè)地球的生態(tài)系統(tǒng)，是地球表面“變綠”和多樣性爆發(fā)的起點(diǎn)。它們?yōu)楦叩壬?，包括人類，提供了包括氧氣、食品、營(yíng)養(yǎng)和天然藥物等必需的物質(zhì)基礎(chǔ)。

值得一提的是，在過(guò)去幾十億年的生命演化過(guò)程中，有多個(gè)類群的光合真核生物都曾突破干旱適應(yīng)，成功登上陸地。但科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的化石與分子證據(jù)均表明，現(xiàn)存陸地植物的起源來(lái)源于一次單一登陸事件。也就是說(shuō)，只有一種類似藻類的生命才是陸地植物的共同祖先。而其他藻類雖然也陸陸續(xù)續(xù)成功登陸并生存下去，比如我們現(xiàn)在看到的硅藻、藍(lán)藻等，但它們?nèi)狈M(jìn)一步向更高等形態(tài)進(jìn)化的能力，因此不是陸地植物的共同祖先。

全世界的植物分類學(xué)家和進(jìn)化學(xué)家們?cè)诓煌貐^(qū)做過(guò)不同程度的研究，分析過(guò)最簡(jiǎn)單原始的基部陸地植物，如蘚、苔、角苔類植物，因?yàn)檫@些植物生活在水與陸地接壤或是潮濕的地方，最接近數(shù)億年前藻類登陸的情境。

在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家們最終將答案鎖定在輪藻目、鞘毛藻目，以及形態(tài)簡(jiǎn)單得多的雙星藻綱中。這3個(gè)類目的藻類，究竟誰(shuí)才是陸地植物共同的祖先?對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)界一直沒(méi)有停止過(guò)爭(zhēng)論。

“當(dāng)我們無(wú)法將正確的物種定位到正確的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)上時(shí)，就無(wú)法很好地回答很多生物學(xué)和進(jìn)化問(wèn)題。”程時(shí)鋒說(shuō)，弄清楚發(fā)生在5億年前的植物祖先陸地化的分子機(jī)制，是一件很困難卻很有趣的事情。

不起眼的“逆襲者”

2015年，程時(shí)鋒團(tuán)隊(duì)從德國(guó)科隆大學(xué)藻種中心獲取了雙星藻綱中的兩個(gè)物種，在深圳華大基因進(jìn)行了“身份識(shí)別”，并于2016年底正式獲得基因組序列等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。從此，藏在這兩個(gè)物種基因里長(zhǎng)達(dá)十多億年的秘密，終于逐漸呈現(xiàn)在科學(xué)家的眼前，一部漫長(zhǎng)的藻類登陸史初現(xiàn)端倪。

科學(xué)家們通過(guò)系統(tǒng)分類與比較進(jìn)化基因組學(xué)研究，證實(shí)了其中之一的綠藻Spirogloea muscicola(尚無(wú)中英文譯名)，居然是屬于一個(gè)全新的物種，并且它是雙星藻綱最早分化出來(lái)的，最接近陸地植物共同祖先的基部物種。

這一結(jié)論令人驚訝：這意味著，在該成果發(fā)表之前，人們一直不知道陸地植物真正祖先的基因組長(zhǎng)啥樣。更為意外的是，雙星藻綱的大多數(shù)物種是以單細(xì)胞或簡(jiǎn)單的絲狀形式存在，這也就解釋了，為何之前在植物共同祖先上科學(xué)界有著很多爭(zhēng)議——因?yàn)楹芏嗫茖W(xué)家傾向于把更像高等陸地植物的復(fù)雜苔蘚或輪藻或鞘毛藻，當(dāng)成陸地植物可能的祖先，而忽略了這個(gè)外形結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的雙星藻綱。顯然，在事實(shí)面前，這個(gè)最不起眼的種類最終成為“逆襲者”。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，與其他分支的綠藻相比，雙星藻綱基因組具有更多與抗逆、抗干旱、抗強(qiáng)紫外線等相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子，與陸地植物共享著大量之前被認(rèn)為是陸地植物才特有的核心基因家族，如植物激素、與細(xì)菌/真菌共生等，其細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)也更接近于陸地植物。

“這表明，在登陸之前，雙星藻綱祖先的基因組和遺傳代謝已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)幕蚪M創(chuàng)新，獲得了大量新基因或家族擴(kuò)增，為適應(yīng)陸生生活做好了遺傳物質(zhì)準(zhǔn)備。”程時(shí)鋒說(shuō)。

另外一個(gè)讓科學(xué)家們感到意外的發(fā)現(xiàn)是，團(tuán)隊(duì)在Spirogloea muscicola基因組中檢測(cè)到了一次顯著的近期全基因組三倍化事件。“基因或全基因組倍化是生命由簡(jiǎn)單到復(fù)雜演化的重要?jiǎng)恿χ?，但是這種現(xiàn)象在藻類中極其少見(jiàn)。”程時(shí)鋒說(shuō)，此次團(tuán)隊(duì)捕捉到的這個(gè)多倍化信號(hào)，是近期發(fā)生的，但也暗示了Spirogloea這個(gè)門類可能一直擁有這種多倍化的能力，是促使其陸地化的重要影響因素。然而，登陸之前的古老多倍化事件是否發(fā)生?依然需要進(jìn)一步研究。

從細(xì)菌中“借來(lái)”的基因

絕大多數(shù)情況下，基因是垂直傳遞的，即父輩傳給子輩，水平之間的基因極難傳遞，就好比植物的基因無(wú)論怎樣也無(wú)法傳遞到動(dòng)物體內(nèi)。

而在此次研究中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，此次測(cè)序的兩個(gè)雙星藻基因組的祖先居然從土壤細(xì)菌中“偷”或“借”來(lái)了兩個(gè)關(guān)鍵基因：GRAS和PYL，這是陸地植物祖先適應(yīng)陸地生境的關(guān)鍵分子信號(hào)。其中，GRAS是植物研究中的“明星基因”之一，它非常“多才多藝”，與植物生長(zhǎng)、發(fā)育和抗逆等很多重要代謝途徑相關(guān)。GRAS家族中的NSP1、NSP2、RAM1等亞家族是調(diào)控菌枝叢根、結(jié)瘤共生固氮等植物生理生態(tài)過(guò)程非常重要的轉(zhuǎn)錄因子。PYL基因則是脫落酸ABA遺傳通路中重要的受體因子。此前，這些基因和功能一直被科學(xué)界認(rèn)為只有陸地植物才特有。而團(tuán)隊(duì)首次在該研究中將其“祖先的根”追溯到了雙星藻綱的兩個(gè)基因組上，并證明其起源于一次從土壤細(xì)菌中來(lái)的水平基因轉(zhuǎn)移事件HGT。而且，通過(guò)分子系統(tǒng)進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn)，該HGT事件發(fā)生的時(shí)間約為5.8億年前，正好與植物陸地化的化石時(shí)間吻合。

HGT事件是一個(gè)長(zhǎng)期具有爭(zhēng)議性的話題。很多研究認(rèn)為，該現(xiàn)象僅存在于原核生命中，如細(xì)菌之間，從細(xì)菌到高等真核生物的HGT事件極其罕見(jiàn)，且一般由于年代久遠(yuǎn)，很難證實(shí)。近些年，陸續(xù)有報(bào)道發(fā)生在高等植物中的HGT事件。

此次，程時(shí)鋒團(tuán)隊(duì)在高質(zhì)量純化樣品和精細(xì)的序列分析保障下，排除了細(xì)菌污染的可能，驗(yàn)證了基因組組裝、注釋、真核基因結(jié)構(gòu)和表達(dá)的數(shù)據(jù)可靠性，最后通過(guò)大規(guī)模基因組比較系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)分析，利用不同數(shù)據(jù)矩陣、不同軟件、不同算法和分子模型，均得到一致的暗示HGT事件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，證實(shí)了GRAS/PYL從細(xì)菌轉(zhuǎn)移至雙星藻綱與陸地植物共同祖先的HGT事件。

據(jù)推測(cè)，該HGT事件是陸地植物祖先獲得功能與適應(yīng)性上“歷史性飛躍”的關(guān)鍵一步，為后來(lái)的5億年中，綠色植物逐漸占領(lǐng)地球扮演了極其重要的角色。

“這表明，自然界中發(fā)生的‘轉(zhuǎn)基因’，或自發(fā)性的遺傳工程事件，是存在的。”程時(shí)鋒笑言道，“如果有時(shí)光機(jī)帶著人們回到5億多年前，或許是個(gè)不錯(cuò)的體驗(yàn)，我們還可以現(xiàn)場(chǎng)做一個(gè)轉(zhuǎn)基因驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。”

但是，生命的演化是極其復(fù)雜的，有很多綜合影響的因素。“重要的是，我們找到了系統(tǒng)比較進(jìn)化基因組學(xué)這個(gè)極其有效的基因發(fā)現(xiàn)手段，即便利用現(xiàn)存的有限物種和數(shù)據(jù)，也能幫助我們研究很多億萬(wàn)年前的、深度同源或平行演化性狀起源的分子規(guī)律。從大自然多樣性的物種資源中獲得啟發(fā)，進(jìn)行目標(biāo)功能基因發(fā)現(xiàn)與挖掘，是如今農(nóng)業(yè)育種家們需要重視的重要一步。”程時(shí)鋒補(bǔ)充道。

關(guān)鍵詞： 單細(xì)胞