植物从水生到陆生的跨越是地球生命进化中重要的里程碑之一，但植物如何应对干旱胁迫，仍是当前农业及植物科学的一个研究热点。近日，来自浙江大学的研究人员联合澳大利亚、美国、英国、以色列、加拿大和德国的科研人员在PNAS发表了题为 Evolution of Chloroplast Retrograde Signaling Facilitates Green Plant Adaptation to Land 的研究论文，提出并验证了关于植物如何在4.5亿年前由水生向陆生过渡的新理论，揭示了叶绿体逆行信号通路SAL1-PAP的起源和进化是植物进化的重要的组成部分。该发现加深了对植物耐旱性进化及适应气候变化的理解，对作物耐旱育种和栽培提供了新思路。
应对气候条件变化而日益加重的干旱环境下进一步提高作物产量，是当前及未来农业需要解决的重大问题之一。植物不能逃逸干旱环境，因此在长期的自然选择条件下逐渐进化形成了一系列适应性生存策略。关闭气孔并利用蜡质结构保存叶片中的水分是植物抵御短期干旱的基本策略，但对长期干旱的胁迫，植物的主要生存策略则是将水和养分从叶子和茎中转移到种子和芽中，为干旱后新的生长做储备。叶绿体逆行信号网络是协调植物监测和响应干旱的预警系统之一，当植物感应到干旱时，该网络能调控逆行信号蛋白以激活防御措施。
该研究分析了已发表基因组的31种陆生植物和藻类的61个与叶绿体逆行信号等相关的蛋白家族，验证了它们的进化过程。结果发现，陆生植物与其祖先的近亲淡水链型绿藻（轮藻和链丝藻）具有相近的能够使植物迅速应对干旱胁迫的遗传特征，并发现了一种起源于链型绿藻的分子信号传导和保护系统，该系统进化并保留在陆生植物中，使之能适应干旱的生长环境。该项研究表明，植物干旱防御的逆行信号通路首先出现于链型绿藻中，后来被陆生植物保留以应对陆地生长环境。大多数陆生植物，例如地钱、苔藓、蕨类、农作物和其它开花植物都存在相似的逆行信号通路，而且该信号通路对陆生植物气孔关闭的调控亦非常保守。因此，通过基因编辑等分子生物学方法调控该通路上的相关基因，将是耐旱育种的一种新途径。
Schematic diagram of potential PAP-induced signal transduction in guard cells. Arrows: activation (blue), inhibition (purple), direction of ion and PAP movement (red), Ca2+ rise (green).
该论文发表后受到了广泛的关注，先后被美国科学促进会（AAAS）旗下www.Eurekalert.org网站，www.phys.org和www.scienmag.com等国外科学媒体网站报道。该论文浙江大学为第一署名单位，赵晨晨博士和王媛媛博士研究生为共同第一作者，陈仲华教授为主要通讯作者。该研究受国家自然科学基金、澳大利亚研究理事会和英国生物技术与生物科学研究理事会等多家单位的资助。
https://www.pnas.org/content/early/2019/02/19/1812092116
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