植物从水到陆地的跳跃标志着地球生命进化中最重要的里程碑之一。但是,植物在面临干旱和强光等不熟悉的挑战时是如何完成这种转变的,目前还不清楚。

现在,一新的研究研究表明,使陆地植物能够感知干旱并对干旱作出反应的内置预警系统,其起源不太可能是它们的水生藻类祖先。

研究人员发现,引发植物抗旱的信号通路在几亿年来几乎没有改变,最初出现在淡水中的链霉菌藻类,后来被陆地植物吸收以应对新的陆地环境的压力。今天,同样的途径也存在于大多数植物生命树中,从苔藓,苔类和蕨类植物,用于农作物和其他开花植物。

“这条路径的进化是地球生命史上的一个关键事件,”道格拉斯·索蒂斯说,该研究的共同通讯作者,佛罗明升里达自然历史博物馆馆长,佛罗里达大学生物系特聘教授。“即使这些藻类生活在水下,他们发现了一些最终能让植物应对陆地干旱压力的特征。如果他们没有弄明白,我们就不会在这里。”

了解植物如何进化这一途径的分子细节至关重要,因为我们的未来预计将出现更长时间、更严重的干旱,这可能威胁到我们的粮食供应,Soltis说。

“在干旱条件下维持或增加作物产量,气候变化将使其恶化,是未来农业发展的关键之一,”他说。“这不是一个容易解决的问题,但这对人类的健康和福祉是一个很大的影响。既然我们已经有了控制植物耐旱性的途径蓝图,我们也许可以操纵它。”

因为植物不能抵御干旱,他们部署了一系列的生存策略,同时等待更好的生长条件。它们的短期抗旱措施是关闭气孔——“呼出”水分的小孔——并用一层蜡封住叶子内部的水分。在久旱,植物把水分和营养物质从叶子和茎转移到种子和芽上,新增长的蓄水池。

叶绿体逆行信号网络是协调植物对干旱的探测和响应的警报系统之一。当植物的一部分感觉到干旱或光线过剩时,这个网络发送酶来向植物的“主机”传递信息,从而激活防御策略。

西悉尼大学的陈忠华(chung -hua Chen)和澳大利亚国立大学(Australian National University)的巴里?在各种各样的绿色植物谱系中呈现和处于什么水平。陈将几种藻类作为亚群,目标研究组以外的可作为比较物的有机体。

当Soltis下载数据集时,已经很晚了,他累了。但是当他扫描数据时,他的眼睛突然锁定了链藻中两组酶的水平,陆生植物的祖先。为什么与干旱有关的酶会出现在水生藻类中?

“我确定我的台词是笔直的,然后说,“哇,“这很酷,”索蒂斯说。“我马上给钟华回信说,“我想你这里有些大东西。”

链藻是一种能在恶劣环境中生存的淡水植物,包括火山口湖,海洋生境和短暂或暂时的水体。以开拓新领域而闻名,它们也是陆地植物的祖先。不像其他藻类,它们的卵细胞和精子细胞周围有保护结构,索蒂斯举了藻类进化特征来抵御压力的例子。

虽然链藻并不经常面临干旱的威胁,索蒂斯说,在他们的一些栖息地恶劣的生长条件有许多相同的影响。

“高盐度基本上是干燥,”他说。“这些藻类可能已经发展出一些这些信号通路,因为它们生活在这些短暂的,咸的栖息地,在这个过程中,偶然发现了一些可以选择在陆地上生活的东西

陈最初的假设是,这种干旱信号通路首先在早期陆地植物中进化而来,使它至少有4.5亿年的历史。在链球菌藻类中发现,然而,说明早在植物向陆地过渡和气孔发育之前。

“如果这个信号通路起源于链球菌藻类,这可能将这条道路的演变推回到5.8亿年前,”陈说,植物生理学和细胞生物学副教授。“当然,我们需要更多的研究来证实这一点。

研究小组分析了与这一信号通路相关的基因和蛋白质,发现它们在多种植物谱系中得到了显著的保护。虽然该途径已经在模型植物物种和作物中进行了研究,索蒂斯说,链球菌藻类只是被忽视了。

“我们对开花植物了解很多,但这些藻类却鲜为人知。“这是一个很好的例子,说明退一步看更大的进化图景是有价值的。”它让我们更深入地了解这个谜题是如何拼凑起来的。”

考虑到多步,道路的复杂性质,陈说,认为陆地植物的早期祖先是原始的想法是错误的。

他说:“我们清楚地表明,两种链藻进化出的重要基因特征与所谓的‘高等’植物一样多。”“它们使从水生环境迁移到陆地成为可能。”


该研究小组其研究成果发表在《国家科学院院院刊》上。

本研究的共同作者是西悉尼大学的赵晨晨,浙江大学王渊源,澳大利亚国立大学的陈凯轩和UF的布莱恩·马尚。佛罗里达博物馆馆长、佛罗里达大学杰出教授帕梅拉·索蒂斯是这项研究的合著者之一。

澳大利亚研究理事会,国家自然科学基金,UF遗传学研究所和英国生物技术和生物科学研究理事会资助了这项研究。


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钟华,邮箱:z.chen@westernsydney.edu.au,请011-61-2-4570-1934

作者

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