海洋是生命起源的搖籃，而生命,，特別是植物，是如何從海洋走向陸地的呢,？北京時(shí)間11月15日零點(diǎn),，世界三大頂級(jí)期刊之一的《細(xì)胞》（CELL）在線發(fā)表了植物祖先陸地化研究成果，為人們揭曉了答案,。

▲文章題目及摘要

該項(xiàng)研究成果由中國(guó)農(nóng)科院深圳農(nóng)業(yè)基因組所（下稱“基因組所”）程時(shí)鋒研究員團(tuán)隊(duì)與德國(guó),、加拿大、俄羅斯及深圳華大基因的科學(xué)家聯(lián)合完成,，程時(shí)鋒為該文第一作者,，德國(guó)科隆大學(xué)教授MichaelMelkonian及加拿大阿爾伯塔大學(xué)教授GaneKa-ShuWong為該文共同通訊作者，基因組所實(shí)習(xí)研究員冼文飛為共同第一作者,。項(xiàng)目受深圳市科創(chuàng)委,、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程、廣東省嶺南實(shí)驗(yàn)室和華大基因資助,。

植物陸地化改變了整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)

生命的起源與進(jìn)化,，一直是科學(xué)家孜孜不倦探索的主題。

科研人員表示,，最早的原核細(xì)菌起源于38億年前的海洋,，光合真核生命起源于約15億年前；約5至6億年前,，發(fā)生了綠藻陸地化事件,，陸地植物的祖先開(kāi)始了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從水生向陸地的進(jìn)化,。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，其共同的祖先屬于一種鏈型藻類的某一個(gè)支系,。

▲綠藻及陸地植物祖先演化樹(shù)

15日發(fā)表的論文報(bào)道了兩個(gè)單細(xì)胞綠藻基因組,，及其如何在5億年前突破干旱適應(yīng)成功登陸的分子機(jī)制，揭示了陸地植物祖先“借用”土壤細(xì)菌基因的遺傳物質(zhì)創(chuàng)新以驅(qū)動(dòng)漫長(zhǎng)的陸地化進(jìn)程,。

“植物陸地化是一個(gè)漫長(zhǎng)而復(fù)雜的演化過(guò)程,，一些地理生境出現(xiàn)周期性干涸的現(xiàn)象，如形成小水坑,、河床,、近海泥沼等,，植物開(kāi)始與土壤細(xì)菌混合互作和發(fā)展出新的營(yíng)養(yǎng)獲取方式，逐漸賦予第一個(gè)陸地植物和它們的后代適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力,，最終形成我們今天看到的豐富多樣的陸生植物群落,。”該項(xiàng)目國(guó)際聯(lián)盟合作主導(dǎo)者之一,、中國(guó)農(nóng)科院創(chuàng)新工程首席科學(xué)家程時(shí)鋒表示,，植物陸地化事件深刻地改變了整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，是地球表面“變綠”和生物多樣性爆發(fā)的起點(diǎn),，為包括人類在內(nèi)的高等生命提供了呼吸和飲食等生存和發(fā)展的基礎(chǔ),。

陸地植物祖先的基因組原來(lái)長(zhǎng)這樣

要弄清楚發(fā)生在5億年前的植物祖先陸地化的分子機(jī)制，是一件很難卻很有趣的事情,。

研究團(tuán)隊(duì)獲取了來(lái)自德國(guó)科隆大學(xué)藻種中心雙星藻綱中的兩個(gè)物種,，分別在華大基因完成全基因組測(cè)序。研究發(fā)現(xiàn),，這兩個(gè)綠藻的基因組都很小,，只有160至170Mb。通過(guò)系統(tǒng)分類與比較進(jìn)化基因組學(xué)研究,，證實(shí)了其中之一的陸地植物祖先單細(xì)胞綠藻（spirogloea）為首次報(bào)道且來(lái)源于一個(gè)新鑒定分類屬的新物種,；并且進(jìn)一步證明其為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。

▲首次報(bào)道且來(lái)源于一個(gè)新鑒定分類屬的新物種：陸地植物祖先單細(xì)胞綠藻（spirogloea）

“這一結(jié)論令人驚訝,，在該成果發(fā)表前,，人們一直不知道真正陸地植物祖先是誰(shuí)，其基因組長(zhǎng)啥樣,，網(wǎng)絡(luò)上也找不到任何關(guān)于這個(gè)藻種的其他描述,。”程時(shí)鋒告訴記者,，雙星藻綱大多數(shù)物種是以單細(xì)胞或簡(jiǎn)單的絲狀形式存在,，所以此前科學(xué)研究總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誤當(dāng)成陸地植物的可能祖先。

與其他分支的綠藻相比,，陸地植物祖先單細(xì)胞綠藻（spirogloea）基因組有更多的與抗逆,、抗干旱、抗強(qiáng)紫外線等相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子,，與陸地植物共享著植物激素,、與細(xì)菌/真菌共生等大量此前被認(rèn)為是陸地植物才特有的核心基因家族；其細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)也更接近于陸地植物,。登陸前,，陸地植物祖先單細(xì)胞綠藻（spirogloea）的基因組和遺傳代謝已有相當(dāng)?shù)幕蚪M創(chuàng)新，獲得了大量的新基因或家族擴(kuò)增,，為適應(yīng)陸生生活早做好了遺傳物質(zhì)準(zhǔn)備,。

植物的共同祖先起源一次“轉(zhuǎn)基因”事件

更重要的是研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)陸地植物共同祖先的基因組從土壤細(xì)菌中“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)。

GRAS是植物研究中的明星基因之一,，與植物生長(zhǎng),、發(fā)育和抗逆等很多重要代謝途徑相關(guān)；PYL是脫落酸ABA遺傳通路中重要的受體因子,。團(tuán)隊(duì)首次證明植物的共同祖先起源一次水平基因轉(zhuǎn)移事件,，通過(guò)分子系統(tǒng)進(jìn)化分析，發(fā)現(xiàn)該事件發(fā)生在約6億年前,，正好與植物陸地化化石時(shí)間吻合,。

水平基因轉(zhuǎn)移事件是一個(gè)長(zhǎng)期具有爭(zhēng)議性的話題，很多研究認(rèn)為該現(xiàn)象只存在于原核生命中（如細(xì)菌之間）,，從細(xì)菌到高等真核生物的極其罕見(jiàn)。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)手段,，證實(shí)了GRAS與PYL確是一次從土壤細(xì)菌轉(zhuǎn)移至綠藻與陸地植物共同祖先的水平基因轉(zhuǎn)移事件,。

據(jù)推測(cè)，水平基因轉(zhuǎn)移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)5億年中綠色植物逐漸占領(lǐng)地球的進(jìn)程中扮演了極其重要的角色,。

“這其實(shí)是陸地共同祖先自然發(fā)生的一次‘遺傳工程事件’，也就是人們常說(shuō)的‘轉(zhuǎn)基因’事件,，只是背后的操作者是大自然,。”程時(shí)鋒談到,。