真葉和種子是植物進(jìn)化史上兩個關(guān)鍵創(chuàng)新性狀。它們的出現(xiàn)使植物獲得了飛躍性的生存能力。而真葉和種子進(jìn)化的奧秘都與真蕨植物有關(guān)。

近日，中國農(nóng)科院科學(xué)家完成了真蕨植物模式物種鐵線蕨基因組圖譜的繪制和分析，并找到了真葉和種子進(jìn)化的重要線索。這讓鐵線蕨這種嬌小的植物登上了《自然—植物》封面。

論文審稿人認(rèn)為，同型孢子真蕨植物基因組是人們期待已久的。鐵線蕨基因組組裝和注釋非常出色，這是第四個被測序的蕨類基因組，但卻第一個具有這種連續(xù)性水平。它可能成為重要的蕨類植物基因組參考。

身背兩大關(guān)鍵創(chuàng)新性狀的秘密

植物在4.7億年漫長的演化中，共形成了五大類群：苔蘚植物、石松植物、真蕨植物、裸子植物和被子植物。其中，裸子植物和被子植物合稱種子植物，而真蕨植物又和種子植物合稱真葉植物。

論文通訊作者、中國農(nóng)科院(深圳)農(nóng)業(yè)基因組研究所研究員閆建斌告訴《中國科學(xué)報》，“承前啟后”的真蕨植物是全面揭示和解析真葉、種子起源與演化必不可少的一環(huán)。

“關(guān)鍵創(chuàng)新性狀可被看成是不同植物類群的‘獨門絕技’，可幫助植物更好適應(yīng)環(huán)境。”論文第一作者、中國農(nóng)科院(深圳)農(nóng)業(yè)基因組研究所博士后房昱含在接受《中國科學(xué)報》采訪時介紹了這些著名的“獨門絕技”，其一是出現(xiàn)在石松植物中的維管束，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)在植物體內(nèi)的遠(yuǎn)距離運輸成為可能，植物因此體積擴(kuò)大、結(jié)構(gòu)多樣。其二是從石松植物的“小型葉”進(jìn)化而來的“大型葉”，即“真葉”，擁有多條葉脈，支持更大更厚實的葉片產(chǎn)生，制造更多營養(yǎng)，使植物體結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、生物量增加。其三是種子，在胚乳和種皮的包裹下，幼胚可以在極端環(huán)境中休眠，吸收自帶的營養(yǎng)物質(zhì)，也能感知外界環(huán)境變化而啟動萌發(fā)機(jī)制。

擁有種子的植物迅速占領(lǐng)了大片陸地生境，被子植物更是快速演化出了25萬之多的物種，成為當(dāng)代陸地生境的霸主。

“真蕨植物與種子植物在上億年前，起源于同一祖先。”房昱含解釋說，如今的真蕨植物與種子植物是最近的姊妹類群，真葉是二者共同擁有的關(guān)鍵創(chuàng)新性狀。

但要理解種子這一關(guān)鍵創(chuàng)新性狀的出現(xiàn)，需要研究沒有種子的植物類群。而真蕨植物在進(jìn)化關(guān)系上恰好位于種子和真葉兩大革新性狀出現(xiàn)的交匯點。“真蕨植物既是推斷真葉植物關(guān)鍵創(chuàng)新性狀(真葉)的重要類群，又是全面理解種子植物關(guān)鍵創(chuàng)新性狀(種子)的關(guān)鍵類群。”閆建斌說。

然而，真蕨植物約有1.1萬種，選誰作為研究對象更具代表性?研究團(tuán)隊將目光投向了能代表99%真蕨植物的模式物種——鐵線蕨。

房昱含解釋說，絕大部分真蕨植物沒有產(chǎn)生雌雄分化，是以同型孢子為核心的方式繁殖。鐵線蕨正是這類同型孢子真蕨。同時，鐵線蕨的所有葉片均可以產(chǎn)生孢子，不似有些真蕨物種，僅在特定的葉片產(chǎn)生。鐵線蕨的原葉體由于扁平且液泡清晰等特點，還被用于光生物學(xué)研究。

第一個同型孢子真蕨植物基因組

“我們是帶著解決種子起源和真葉起源的問題開始這項工作的。”閆建斌說。

他們發(fā)現(xiàn)，蕨類植物的抗蟲性比較高。而這種抗蟲性又與茉莉素信號通路有關(guān)，于是研究自然而然地聚焦于此。

在真蕨植物中，還有1%的異型孢子物種，它們的繁殖過程產(chǎn)生了性別分化。閆建斌介紹，同型孢子與異型孢子物種在生活史、基因組大小和染色質(zhì)數(shù)量上差異巨大。同型孢子真蕨以具有超大的基因組而聞名，其基因組大小平均高達(dá)12Gb，最高可達(dá)148Gb;而異型孢子真蕨的基因組大小要正常得多，平均值是2.43Gb。

“可見同型孢子與異型孢子真蕨的基因組信息互相不具有代表性，兩者聯(lián)合分析才可以代表真蕨基因組特征。遺憾的是，目前已經(jīng)測序的2個真蕨物種，均為異型孢子真蕨，而高質(zhì)量的同型孢子真蕨基因組信息仍然是缺失的。”閆建斌說。

閆建斌團(tuán)隊首次完成了同型孢子真蕨植物鐵線蕨基因組的拼接、注釋和分析。他們繪制了染色體級別的鐵線蕨基因組，拼接基因組達(dá)到4.83Gb，覆蓋了97.58%的基因組，該基因組具有很高的完整性和連續(xù)性。

利用這一高質(zhì)量基因組，他們進(jìn)一步完成了基因組結(jié)構(gòu)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，同型孢子真蕨基因組的擴(kuò)張，并非如先前假設(shè)的那樣，由近期的全基因組加倍導(dǎo)致，而是重復(fù)序列擴(kuò)張的結(jié)果。

揭曉種子和真葉起源的答案

獲得了高質(zhì)量基因組，如何尋找種子和真葉起源的答案呢?

閆建斌介紹，所有陸生植物均具有胚胎結(jié)構(gòu)，但是能夠積累營養(yǎng)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，卻是種子植物所特有的。

1991年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了引起轟動的LEC1基因。它的突變體具有完整且功能正常的幼胚，但儲存營養(yǎng)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)——子葉干癟，導(dǎo)致種子因為營養(yǎng)物質(zhì)不足，無法完成脫水休眠過程而不能正常萌發(fā)。然而，如果在種子發(fā)育早期，對突變體外施水分，種子仍可以度過脫水休眠過程，正常萌發(fā)，并產(chǎn)生與正常植株類似的植株。

“LEC1基因首次表明種子發(fā)育與胚胎發(fā)育是兩個可以相互獨立的過程。LEC1基因賦予了種子最關(guān)鍵的生理性狀，LEC1分子和功能進(jìn)化的研究對于理解種子起源和形成具有重要意義。”閆建斌說。

前人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，LEC1基因起源于石松植物之中，遠(yuǎn)早于種子的出現(xiàn)。那么，LEC1基因為什么沒有導(dǎo)致石松植物和真蕨植物出現(xiàn)種子?

房昱含介紹，LEC1基因在成熟階段調(diào)控同化物積累，而其種子植物同源基因亦具有相同的功能，是種子發(fā)育的核心調(diào)控因子。

他們證實了LEC1調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在種子起源前至少300萬年已經(jīng)形成，且具有保守的同化物積累調(diào)控功能。在真蕨植物中，該網(wǎng)絡(luò)在孢子發(fā)育時期發(fā)揮作用;而在種子植物中，該網(wǎng)絡(luò)被招募到種子發(fā)育過程之中，賦予了種子同化物積累這一重要的生理性狀。這些結(jié)果為理解種子起源提供了新見解。

此外，通過對真葉植物各進(jìn)化節(jié)點的祖先基因推斷，該團(tuán)隊首次發(fā)現(xiàn)真葉植物的最近共同祖先中，BRI1-BRL基因家族在真葉植物中發(fā)生過兩次復(fù)制，從而形成了真葉植物共有的BRL2亞家族，以及種子植物中特異擴(kuò)張的BRI1BRL1-3亞家族。

房昱含說，他們還驗證了這些基因在維管束分布豐富的葉柄和葉片中表達(dá)顯著。這些結(jié)果顯示BRI1-BRL基因家族的擴(kuò)張很可能與真葉維管系統(tǒng)的起源有關(guān)，是推動真葉植物維管系統(tǒng)復(fù)雜化進(jìn)而產(chǎn)生真葉的分子動力。

研究團(tuán)隊還探索了蕨類植物優(yōu)秀抗蟲機(jī)制的分子基礎(chǔ)。閆建斌強(qiáng)調(diào)，這種抗蟲機(jī)制與茉莉素信號通路密切相關(guān)。茉莉素廣泛存在于植物界中，在調(diào)控植物生長發(fā)育與激活防御反應(yīng)等方面具有不可或缺的作用。

他們的研究表明，鐵線蕨中存在兩類茉莉素活性分子。在對傷處理的響應(yīng)中，鐵線蕨可同時上調(diào)這兩類茉莉素分子，并且導(dǎo)致大量對蟲類有毒的次生代謝產(chǎn)物快速合成。“這一雙重響應(yīng)機(jī)制很可能是真蕨植物抗蟲能力出色的原因之一。”閆建斌說。

閆建斌認(rèn)為，對真蕨植物孢子發(fā)育、葉片形成等分子機(jī)制的解析，與被子植物的研究領(lǐng)域區(qū)別比較大，或?qū)硪恍┬聠l(fā)，有助于促進(jìn)現(xiàn)代作物的分子設(shè)計育種。

關(guān)鍵詞： 真蕨植物模式物種鐵線蕨基因組圖譜 同型孢子真蕨植物基因組 鐵線蕨背負(fù)植物自我革新奧秘 揭曉種子和真葉起源答案