陸地植物起源研究的新進(jìn)展＊

吳珍，程時(shí)鋒

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)基因組研究所，嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)基因數(shù)據(jù)分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518120

地球上有約5 0萬種不同形態(tài)和功能的陸地植物。陸地植物一般特指有胚植物(embryophytes)，包括苔蘚植物(bryophytes)、蕨類植物(pteridophytes)、種子植物(spermatophytes)和被子植物(angiosperms)等[1]，是支撐起陸地生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。據(jù)目前已有的證據(jù)推測，如此多樣化的陸地植物主要形成于一個(gè)被稱為陸地化(terrestrialization)的重要進(jìn)化事件[2-3]，即陸地植物的藻類祖先從水生到陸生的逐步演化，最終在不同的陸地生境中生存繁殖并長期適應(yīng)下來。植物祖先陸地化事件發(fā)生在5～6億年前，是一個(gè)漫長而復(fù)雜的演化過程。在潮起潮落、滄海桑田的跌宕變遷中，一些地理生境出現(xiàn)周期性干涸現(xiàn)象，形成小水坑、河床、近海泥沼等，陸地植物的藻類祖先和它們的后代也逐漸具備了適應(yīng)土壤干旱、強(qiáng)紫外線等惡劣環(huán)境的能力，最終形成我們今天看到的豐富多樣的陸地植物群落[4]。植物祖先的陸地化事件改變了整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)，為包括人類在內(nèi)的高等陸地生物的出現(xiàn)賦予了可能性，并提供氧氣和食物等動(dòng)物生存和發(fā)展所必需的基礎(chǔ)[5-6]。

水生和陸生是兩種截然不同的生態(tài)環(huán)境。從水生到陸生的轉(zhuǎn)變，植物需要經(jīng)歷一系列劇烈的環(huán)境適應(yīng)性挑戰(zhàn)，如光吸收方式(包括承受更強(qiáng)的紫外線輻射)和CO2固定效率、更快速的溫度變化以及土地基質(zhì)(諸如pH值、鹽度和營養(yǎng)成分)的變化。為了適應(yīng)這些生物或非生物的挑戰(zhàn)，陸地植物演化出各種脅迫響應(yīng)機(jī)制，如對(duì)無處不在的分子(如活性氧(reactive oxygen))和一些植物激素(如脫落酸(abscisic acid))的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，以及對(duì)植物細(xì)胞生理的適當(dāng)調(diào)整[7]。

陸地植物的藻類祖先由水生向陸生的進(jìn)化轉(zhuǎn)變，包括其早期預(yù)適應(yīng)及陸地化后的早期分化。研究這一漫長的進(jìn)化歷程，是植物進(jìn)化生態(tài)生物學(xué)的重要內(nèi)容[3]。如何利用現(xiàn)存的各類證據(jù)研究數(shù)億年前的進(jìn)化事件，是研究人員面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。作為植物生命源代碼的基因組蘊(yùn)含著豐富的植物進(jìn)化歷史事件。隨著測序技術(shù)的發(fā)展和測序成本的降低，從基因組方面研究植物的系統(tǒng)演化、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)化事件和生物多樣性發(fā)生的分子機(jī)制成為基因組學(xué)時(shí)代重要的方向之一。

1 陸地植物的近緣綠藻

確定陸地植物的藻類近親是了解植物新性狀起源和對(duì)復(fù)雜陸地環(huán)境適應(yīng)的關(guān)鍵，而準(zhǔn)確的系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹是比較基因組學(xué)的研究框架。包括中斑藻綱(Mesostigmatophyceae)、鏈絲藻綱(Klebsormidiophyceae)、雙星藻綱(Zygnematophyceae)、鞘毛藻綱(Coleochaetophyceae)以及輪藻綱(Charophyceae)在內(nèi)的輪藻門(Charophytes)和有胚植物同屬鏈型植物(streptophytes)，并具有緊密的進(jìn)化關(guān)系[8]。但是，由于輪藻具有不同的形態(tài)(單細(xì)胞和多細(xì)胞)、不同的生殖類型(有性生殖、無性生殖和接合生殖)及多樣的生境(水生、陸生)等特征，植物學(xué)家們對(duì)陸地植物藻類祖先的問題一直爭論不休[9]。對(duì)于哪種綠藻才是陸地植物的近親或姐妹群系存在三種不同的假設(shè)：輪藻綱、鞘毛藻綱和雙星藻綱。

輪藻綱和鞘毛藻綱主要分布于海洋或淡水環(huán)境中，具有多細(xì)胞、分枝狀的形態(tài)，類似陸地植物生長、繁殖和細(xì)胞分裂的特征，長期以來被認(rèn)為是陸地植物祖先的姐妹系群[8]。2001年，Karol等[9]通過對(duì)40種不同輪藻及陸地植物的4種基因(葉綠體基因組的atpB和rbcL基因、線粒體基因組的nad5基因和核基因組的小核糖體基因)進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析，認(rèn)為輪藻綱是現(xiàn)存的與最早陸地植物親緣關(guān)系最近的藻類，緊接著發(fā)現(xiàn)鞘毛藻綱也是陸地植物的近親種類。2018年，Nishiyama等[10]對(duì)輪藻綱物種Chara braunii進(jìn)行全基因組測序，發(fā)現(xiàn)C. braunii包含許多迄今為止僅屬于陸地植物的進(jìn)化方面的特征。例如，C. braunii擁有乙烯信號(hào)傳導(dǎo)所需的所有基因，而乙烯可以促進(jìn)陸地植物從種子萌發(fā)到果實(shí)成熟過程的信號(hào)傳遞。此外，C. braunii能夠利用獨(dú)特的木聚糖合酶進(jìn)行細(xì)胞壁的生物合成，其轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能也比其他藻類更為精細(xì)。C. braunii所具備的復(fù)雜形態(tài)特征可能是由某些擴(kuò)張的基因家族導(dǎo)致的，特別是對(duì)活性氧的耐受性產(chǎn)生影響的基因、和LysM受體類似的激酶和轉(zhuǎn)錄因子(transcription factors)。對(duì)C. braunii生殖結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄組分析揭示了轉(zhuǎn)錄因子對(duì)生殖過程的復(fù)雜控制、活性氧基因網(wǎng)絡(luò)的活性以及其合子具有植物類儲(chǔ)存、應(yīng)激保護(hù)蛋白。

然而，隨著更多基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的獲取，更嚴(yán)密的系統(tǒng)發(fā)育分析顯示，形態(tài)結(jié)構(gòu)簡單的雙星藻綱更有可能是陸地植物最近緣的姐妹譜系(圖1)[11-12]。2019年，Cheng等[4]首次對(duì)雙星藻綱中兩個(gè)單細(xì)胞淡水綠藻物種Spirogloea muscicola和Mesotaenium endlicherianum進(jìn)行全基因組分析，發(fā)現(xiàn)與其他藻類相比，S. muscicola和M. endlicherianum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，以及更多陸地植物所特有的核心家族基因，例如與植物激素有關(guān)的基因、與細(xì)菌和真菌共生的基因等。S. muscicola是首次發(fā)現(xiàn)并命名的新物種，通過葉綠體核心保守基因、核基因組基因等不同數(shù)據(jù)矩陣，采用不同軟件(如RAxML、FastTree和Phylobayes)、不同算法(Maximum likelihood和Bayesian inference)、不同的序列分子演化模型(FastTree: JTT+CAT、RAxML:GTR+CAT models、Phylobayes: LG, CAT+GTR和CAT+GTR+Dayhoff recoding)分析，均證明S.muscicola是雙星藻綱最基部的一個(gè)單細(xì)胞綠藻物種，且是現(xiàn)存陸地植物共同祖先最近緣的姐妹群系。S. muscicola和M. endlicherianum基因組均只有約170 Mb(表1)，通過深度比較進(jìn)化基因組學(xué)和系統(tǒng)發(fā)育分子進(jìn)化研究發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)陸地植物共同祖先近緣物種從土壤細(xì)菌中通過水平基因轉(zhuǎn)移(horizontal gene transfer)獲得幾類關(guān)鍵的基因，包括GRAS和PYR/PYL/RCAR(這兩類基因被認(rèn)為與許多重要的代謝途徑有關(guān))。GRAS和PYL在其他藻類中并未發(fā)現(xiàn)，之前認(rèn)為只是陸地植物所特有，該研究將其起源追溯到陸地植物祖先的根。GRAS基因家族中的NSP1、NSP2、RAM1和其他亞家族是調(diào)節(jié)生理過程(如調(diào)控叢枝菌根、結(jié)瘤共生固氮)的重要轉(zhuǎn)錄因子；PYR/PYL/RCAR基因則是植物激素脫落酸遺傳通路的重要受體，在植物抗旱中起關(guān)鍵作用。此外，Cheng等[4]還在S. muscicola中檢測到一個(gè)近期全基因組三倍化事件(圖1)。全基因組復(fù)制(whole genome duplication)是生命體從簡單到復(fù)雜進(jìn)化的重要驅(qū)動(dòng)力之一，對(duì)植物在進(jìn)化過程中適應(yīng)劇烈的環(huán)境變化極為重要。但是，這種現(xiàn)象在藻類中極為罕見，僅在雙星藻綱的部分物種中檢測到較豐富的多倍化信號(hào)[12-14]。S. muscicola和M. endlicherianum在雙星藻綱具有獨(dú)特的遺傳地位，被推測為可能是5.8億年前將輪藻和陸地植物分化開來的重要物種[3-4,15]。因此，S. muscicola可能是目前所有陸地植物的共同祖先。

圖1 綠藻(Chlamydomonas reinhardtii)、輪藻(Spirogloea muscicola, Mesotaenium endlicherianum, Penium margaritaceum,Klebsormidium flaccidum, Mesostigma viride, Chlorokybus atmophyticus, Chara braunii)、苔蘚植物(Anthoceros angustus,Marchantia polymorpha, Physcomitrella patens)和維管植物(Arabidopsis thaliana)的進(jìn)化簡易示意圖。**表示該物種經(jīng)歷全基因組復(fù)制；***表示該物種經(jīng)歷全基因組三倍復(fù)制

單細(xì)胞藻Penium margaritaceum、S.muscicola和M. endlicherianum同屬雙星藻綱，在一些實(shí)驗(yàn)室曾被當(dāng)作研究植物細(xì)胞壁和激素等課題的模式物種。P. margaritaceum能夠短暫地適應(yīng)經(jīng)常干燥的濕地，具有類似于陸地植物的復(fù)雜細(xì)胞壁，并且可以分泌多糖黏液[16]。雖然P. margaritaceum沒有經(jīng)歷全基因組復(fù)制，但仍具有約4.7 Gb的基因組，且包含52 333個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因(表1)。系統(tǒng)發(fā)育分析發(fā)現(xiàn)Penium是雙星藻分支中的衍生種類，和位于基部的S. muscicola相距較遠(yuǎn)。P. margaritaceum基因組包含約80.6%的重復(fù)序列，特別是那些能使基因新功能化的長末端重復(fù)序列(long terminal repeats)、逆轉(zhuǎn)座子(retrotransposons)和簡單重復(fù)序列(simple repeats)[16]?；蚪M的比較分析表明，P. margaritaceum基因組中包含GRAS家族的大量基因，這與S. muscicola和M. endlicherianum類似[4]。藻類通常不具備真正的角質(zhì)層，但是P.margaritaceum卻具有角質(zhì)層的生物合成、運(yùn)輸和組裝的能力，因此能夠阻止水分的流失[16]。此外，P. margaritaceum擴(kuò)大了信號(hào)網(wǎng)絡(luò)和適應(yīng)性反應(yīng)的相關(guān)基因，這些基因能夠參與到廣泛的生理過程當(dāng)中。例如，4-香豆酸酯-CoA連接酶(4-coumarate: coenzyme A ligase)和查爾酮合酶(chalcone synthase)可以參與類黃酮( flavonoids)的生物合成途徑中，而類黃酮可以保護(hù)植物免受紫外線輻射[25]。在P. margaritaceum基因組擴(kuò)張的碳水化合物活性酶(carbohydrate-active enzymes)參與了細(xì)胞壁中黏多糖的產(chǎn)生，黏多糖充當(dāng)了干旱的保護(hù)片，而干旱是陸地植物必須要應(yīng)對(duì)的主要非生物因素脅迫之一，這可能與早期陸地生物能短暫地適應(yīng)經(jīng)常干燥的濕地有關(guān)[16]。這些特征也可以解釋早期陸地植物是如何適應(yīng)干旱和紫外線輻射的陸地環(huán)境的。

表1 綠藻(Chlamydomonas reinhardtii)、輪藻(Spirogloea muscicola, Mesotaenium endlicherianum, Penium margaritaceum,Klebsormidium flaccidum, Mesostigma viride, Chlorokybus atmophyticus, Chara braunii)、苔蘚植物(Anthoceros angustus,Marchantia polymorpha, Physcomitrella patens)和維管植物(Arabidopsis thaliana)的基因組大小和蛋白質(zhì)編碼基因數(shù)量

2 陸地化是漸進(jìn)性演化，經(jīng)歷了一系列預(yù)適應(yīng)的過程

此前，科學(xué)界普遍認(rèn)為從水生到陸生過渡的事件發(fā)生在陸地植物的共同祖先中，但是最近這個(gè)觀點(diǎn)受到了挑戰(zhàn)。對(duì)更多輪藻基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的分析顯示：陸地化是漸進(jìn)性演化(gradual evolution or step-wise evolution)，經(jīng)歷了很多預(yù)適應(yīng)過程，即適應(yīng)陸地生活的基因在陸地植物起源之前就已在輪藻中開始進(jìn)化[26-27]。Klebsormidium屬鏈絲藻綱(圖1)，是早期演化的多細(xì)胞輪藻，呈未分支的絲狀。大多數(shù)適應(yīng)陸地的物種也可以在淡水中生存，某些還能對(duì)包括干旱、冰凍等在內(nèi)的典型陸地環(huán)境耐受[22,28-29]。Klebsormidium flaccidum的基因組中具有生長素(auxin)、脫落酸和茉莉酸(jasmonic acid)等植物激素合成所需要的大多數(shù)潛在基因[22]。利用質(zhì)譜儀也同樣能夠在K.flaccidum中檢測到包括生長素吲哚-3-乙酸(auxin indole-3-acetic acid)、脫落酸、細(xì)胞分裂素異戊烯腺嘌呤(cytokinin isopentenyladenine)、茉莉酸和水楊酸(salicylic acid)等在內(nèi)的典型植物激素[22]。K.flaccidum質(zhì)體基因組的一個(gè)顯著的特征是其具有18個(gè)NADH氧化還原酶亞基構(gòu)成的NADH脫氫酶樣復(fù)合物，介導(dǎo)了光系統(tǒng)I中的循環(huán)電子流(cyclic electron flow)[30-31]，包括高強(qiáng)度光照和干旱在內(nèi)的多種壓力都可以激活循環(huán)電子流。此外，K.flaccidum核基因組中具有7個(gè)編碼NDH和PGR5的基因，而NDH和PGR5是陸地植物的兩個(gè)循環(huán)電子流途徑。因此，K. flaccidum可能具有循環(huán)電子流活性。植物激素相關(guān)基因和循環(huán)電子流活性對(duì)陸地化事件至關(guān)重要，K. flaccidum的這些特征表明其已具有適應(yīng)陸地環(huán)境所必需的基本條件[22]。此外，Hori等[22]雖然沒有在K. flaccidum基因組中發(fā)現(xiàn)多細(xì)胞生物所特有基因的數(shù)量有任何增加，卻發(fā)現(xiàn)與多細(xì)胞化相關(guān)的基因(如WUSCHEL、AGAMOUS基因，它們類似于陸地植物中的MADS-box、GNOM和細(xì)胞壁相關(guān)基因)。這些結(jié)果表明，K. flaccidum的祖先雖僅具有簡單的身體結(jié)構(gòu)，卻已開始組織復(fù)雜的多細(xì)胞系統(tǒng)。

2020年，Wang等[23]對(duì)兩種不同的輪藻進(jìn)行分析，其中Mesostigma viride為具有鞭毛的水生單細(xì)胞藻，Chlorokybus atmophyticus為灘涂生(subaerial/terrestrial)的多細(xì)胞藻，兩者都是輪藻的早期演化成員(圖1)。不同的生境及細(xì)胞形態(tài)使M. viride和C. atmophyticus成為研究陸地植物進(jìn)化和多細(xì)胞化的理想模型。通過對(duì)兩者基因組的分析，Wang等發(fā)現(xiàn)，雖然兩者在基因組大小、結(jié)構(gòu)及基因家族組成方面都存在顯著差異(表1)，但是M. viride和C. atmophyticus都已進(jìn)化出轉(zhuǎn)錄因子和植物激素途徑。這些轉(zhuǎn)錄因子包括與壓力適應(yīng)和生長有關(guān)的HD-Zip、GRF生長調(diào)控因子、LUG轉(zhuǎn)錄共阻遏物和SRS等。M. viride和C.atmophyticus還具備植物型細(xì)胞壁合成的相關(guān)基因。其中，C. atmophyticus具有編碼植物型纖維素酶的基因，M. viride具有編碼甘露聚糖酶、甘露糖苷酶和木糖苷酶的基因。不過，M. viride和C. atmophyticus都缺乏編碼木葡聚糖、木聚糖降解酶和大多數(shù)果膠裂解酶的基因。除此之外，在M. viride和C. atmophyticus中鑒定出的典型陸地植物光敏色素基因(photoreceptor phytochrome)，與植物生長和發(fā)育的調(diào)節(jié)密切相關(guān)[23]。

3 早期演化的陸地植物

苔蘚植物，包括苔類植物(liverworts)、蘚類植物(mosses)和角苔植物(hornworts)，起源于5億年前，是早期進(jìn)化的陸地植物，屬非維管植物，是研究陸地植物進(jìn)化的主要類群之一[18]。苔蘚植物的植株結(jié)構(gòu)比較簡單，單倍體的配子體占主導(dǎo)地位，孢子體依附在配子體上，無真正的根，也無木質(zhì)化的維管組織，喜歡蔭濕環(huán)境，被認(rèn)為是植物由水生到陸生的過渡類型[21]。最近，Zhang等[20]首次完成對(duì)角苔植物Anthoceros angustus基因組的注釋，通過分析發(fā)現(xiàn)，與苔類植物Marchantia polymorpha的基因組一樣，A. angustus并未經(jīng)歷全基因組復(fù)制，而同屬苔蘚植物的蘚類植物Physcomitrella patens卻經(jīng)歷了至少一次全基因組復(fù)制(圖1)。此外，A. angustus的基因組較小，僅有119 Mb和14 629個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因(表1)，低于上文提到的S. muscicola，有關(guān)發(fā)育的多數(shù)基因也僅具有單個(gè)拷貝且冗余度很低，這些特征可能是早期進(jìn)化陸地植物的特征[20]。基因組的深度分析顯示A. angustus的一些基因家族得到擴(kuò)張，例如A. angustus具有大量用于植物細(xì)胞器RNA加工的五肽重復(fù)(pentatricopeptide repeat)基因，約占其蛋白質(zhì)編碼基因的7.90%[20]。此外，細(xì)胞色素P450(cytochrome P450)基因與bicupins基因也在其基因組中擴(kuò)張[20]。其中，五肽重復(fù)蛋白可以充當(dāng)修復(fù)因子，減輕因陸地環(huán)境中紫外線暴露量增加而引起的DNA損傷，而細(xì)胞色素P450基因和bicupins基因參與脫落酸代謝，并具有重要的干旱響應(yīng)功能[19]。值得注意的是，A. angustus具有兩個(gè)與氣孔發(fā)育相關(guān)的基因，即SMF和ICE。氣孔可以幫助陸地植物在干燥環(huán)境中生存并增強(qiáng)水分吸收和保持，因此被認(rèn)為是植物祖先進(jìn)行陸地化過程中的關(guān)鍵進(jìn)化創(chuàng)新[3,12]。Zhang等[20]還在A. angustus基因組中鑒定出僅存在于綠藻中的3種無機(jī)碳轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(HLA3、LCI1和LCIA類似基因)。這表明該苔蘚植物具有像綠藻一樣的CO2濃縮機(jī)制(CO2-concentrating mechanism)[32]，不過不同于C4植物和景天酸代謝植物中存在的CO2濃縮機(jī)制[33]。系統(tǒng)發(fā)育分析顯示角苔植物位于苔蘚植物分支的最基部(圖1)。同其他苔蘚植物一樣，A. angustus具有來自細(xì)菌、真菌和放線菌的基因，例如編碼乙二醛酶、NAD結(jié)合脫氫酶、葡糖醛酸水解酶和DNA甲基轉(zhuǎn)移酶等的基因，這些基因與應(yīng)激反應(yīng)和代謝途徑有關(guān)。因此，外來基因在角苔植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)過程中可能起著至關(guān)重要的作用。

4 結(jié)語

輪藻門可能經(jīng)歷了4個(gè)重要的步驟才完成從水生到陸生、從單細(xì)胞到復(fù)雜多細(xì)胞系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，經(jīng)歷了很多關(guān)鍵的突破和進(jìn)化創(chuàng)新。研究輪藻及早期演化陸地植物的基因組不僅有助于了解植物的系統(tǒng)演化與生物多樣性，對(duì)全面了解植物的生命奧秘也具有重要意義。本文介紹的一些輪藻及早期陸地植物的基因組特征，可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

(1)在登陸之前，雙星藻綱的基因組和遺傳代謝已經(jīng)有了相當(dāng)規(guī)模的基因組創(chuàng)新，同時(shí)經(jīng)歷了基因家族擴(kuò)增并獲得大量新基因，為適應(yīng)陸生生活做好了遺傳物質(zhì)的準(zhǔn)備，雙星藻綱可能是現(xiàn)存陸地植物的共同祖先；

(2)深度比較基因組學(xué)和分子進(jìn)化學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，通過水平基因轉(zhuǎn)移來自于土壤細(xì)菌和真菌的基因，對(duì)于驅(qū)動(dòng)陸地植物祖先陸地化的進(jìn)程以及早期陸地植物的適應(yīng)性過程起著重要的作用；

(3)植物祖先陸地化是一個(gè)漸進(jìn)性演化過程，可能經(jīng)歷了一系列基因上的預(yù)適應(yīng)過程。很多長期被認(rèn)為是陸地植物才有的基因家族，研究發(fā)現(xiàn)在更原始的綠藻中就已存在，例如與抗逆相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子或傳統(tǒng)認(rèn)為陸地植物才有的核心基因家族；

(4)基因組學(xué)是研究陸地化及可逆性過程(如一些水生被子植物)的重要手段，為耐旱、耐鹽等分子機(jī)制的研究奠定了重要基礎(chǔ)。

當(dāng)然，目前仍有很多問題等待我們?nèi)ソ獯?。例如：除了土壤?xì)菌和真菌，輪藻和早期陸地植物是否具有來自病毒的基因？水平基因轉(zhuǎn)移這一自然轉(zhuǎn)基因過程在雙星藻綱適應(yīng)陸地過程中起著什么樣的作用？什么原因使得一些陸生輪藻又回到了水環(huán)境？導(dǎo)致輪藻發(fā)生多細(xì)胞化的關(guān)鍵機(jī)制是什么？回答這些問題還需要對(duì)鏈型植物進(jìn)行大量比較基因組學(xué)和系統(tǒng)基因組學(xué)的研究。