新研究揭示了种子植物如何征服地球的秘密

中国科学院分子植物科学卓越研究中心的赵代音团队与湖北大学吕世友团队最近在《自然植物》上发表的一项研究首次从专门的细胞壁进化的角度揭示了种子植物崛起背后的奥秘。

种子植物是世界上最先进的植物群，占所有植物物种的三分之二，塑造了我们世界的主要植物群。然而，在3亿多年前的石炭纪时期，地球发生了很大的不同，当时蕨类植物是主要植物群，高耸的树蕨在生态景观中占主导地位。今天地球上的大部分煤炭资源来自那个时期的蕨类植物，因此得名“石炭纪”。

然而，古生物学研究揭示了石炭纪末期的转折点，地球气候突然变得寒冷和干旱。结果，蕨类植物开始减少，为种子植物的兴起铺平了道路。然而，这一重大的进化事件以许多未解之谜为标志，其中最重要的谜团之一是：种子植物进化了哪些具体优势，使它们能够在石炭纪末期从较弱的位置过渡到繁荣的位置？

植物根系结构的主要发现

根系是植物吸收和运输水分和矿物质养分的重要器官，内皮是根部的核心，控制着水分和矿物质的运输。内胚层细胞壁具有疏水的木质素基Casparian条带，紧密固定在内胚层细胞膜上，从而形成屏障，防止物质自由扩散。此外，木栓蛋白薄片是包裹内胚层细胞整个表面的特殊细胞壁结构。

研究表明，里海带和木栓素薄片在植物养分平衡和水分运输中都起着重要作用，但它们的功能存在显著差异。Chao的团队此前在理解里海地带的形成和锚定方面取得了突破。然而，木栓素薄片的进化基础及其在植物进化中的作用尚未得到解决。

里海带和苏贝林薄片的进化见解

本研究利用一系列先进的细胞生物学和分析化学技术，对来自18个不同进化节点的代表性植物物种进行了深入研究，旨在揭示里海带和木栓素薄片的起源秘密。

令人惊讶的是，研究人员发现里海带存在于所有维管植物中，包括蕨类植物、石松植物、裸子植物和被子植物，而木栓素薄片仅存在于裸子植物和被子植物（统称为种子植物）中。这一证据表明，里海条带和木栓蛋白薄片并非同时产生;前者起源于所有维管植物的共同祖先，后者起源于种子植物的共同祖先。这一发现挑战了长期以来关于木栓蛋白薄片的假设，并为研究这些结构的进化提供了新的视角。

种子植物中的基因扩增和Suberin薄片

为了研究木栓素薄片如何在种子植物的共同祖先中进化，研究人员对参与木栓素薄片形成的基因及其同系物进行了分子进化分析，结果如下：尽管这些基因中的大多数在维管植物出现之前就已经进化，但在种子植物的共同祖先中发生了显着的扩张。这种扩展表明，基因复制可能导致功能创新，从而使负责合成木栓素薄片的基因出现在种子植物的共同祖先中。

为了证实这一假设，研究人员研究了蕨类植物、石松植物、裸子植物和被子植物中参与木栓形成的核心MYB转录因子的同源基因。这些基因被发现在所有这些植物群中都很普遍。然而，在裸子植物和被子植物的共同祖先中发生了同源基因的显着扩增。研究人员发现，裸子植物和被子植物中扩增的同源基因可以启动木栓素薄片的形成，而蕨类植物和石松植物中的同源基因则没有这种功能。这一发现证实了种子植物通过基因扩增获得启动木栓素合成的MYB转录因子的功能。

Suberin 薄片在植物适应中的作用

随着地球气候在石炭纪晚期变得干燥，蕨类植物开始减少，种子植物增加。由于木栓素具有防水特性，研究人员推测木栓素薄片的出现可能有助于种子植物的干旱适应性，从而促进它们在干旱条件开始后生长。后来，他们通过使用两种具有木栓素缺陷的拟南芥遗传物质证实了这一假设，从而证明缺乏木栓素的拟南芥对干旱更敏感。

此外，拉曼光谱和核磁共振揭示了木栓蛋白薄片在提高维管水运输效率方面的重要意义。具体来说，由于水分子能够在没有木栓蛋白薄片的情况下跨细胞膜自由扩散，因此没有木栓蛋白薄片的植物，如蕨类植物和马尾植物，在受到渗透胁迫时会经历内胚层细胞膜的大量漏水，导致运输效率低。