重磅！陆生植物起源的标志被揭示，吸收紫外线和细胞壁的合成

光合真核生命起源于大约15亿年前的海洋，在大约5亿年前，发生了绿藻陆地化事件，绿色植物的祖先开始了从简单到复杂、从水生向陆地的迈进。植物陆地化是一个漫长而复杂的演化过程，深刻地改变了整个生态系统，为高等生命，包括人类，提供了包括氧气在内的、食品、营养和天然药物等必需的生存和发展的基础。然而陆生植物如何进化适应陆地生活的分子机制仍然不是十分清楚。

2020年5月22日，Cell杂志在线发表了来自美国康奈尔大学Jocelyn K.C. Rose、Zhangjun Fei、斯基德莫尔学院David S. Domozych等研究人员合作题为“The Penium margaritaceum Genome: Hallmarks of the Origins of Land Plants”的研究论文。

该研究公布了单细胞藻类Penium margaritaceum（Zygnematophyceae的成员，陆地植物的姐妹谱系）的基因组序列，并且通过分析揭示了陆地植物起源的分子机制和特征。

值得注意的是，这是近5年来第三篇Cell文章报道早期陆生植物陆地化研究进展，说明该研究领域对于整个植物领域来说是前沿性研究和热点研究。前面两篇Cell文章分别为：【Cell】首个轮藻基因组公布，揭示早期植物登陆的关键进程 和 【Cell】重磅! 基因组所程时锋团队揭示植物祖先成功登陆的分子机制！

在过去几十亿年的生命演化过程中，有多个类群的光合真核生物均成功地登陆过。然而，几乎所有的化石与分子证据均表明，现存陆地植物的共同祖先是一种链型藻（Streptophyta）类的某一个未知的支系，它们通过一次单一登陆事件（singularity）形成。

现阶段大部分的研究焦点是在淡水或部分陆地生活的Streptophyta 绿藻上，如与陆地植物更接近的结构复杂的轮藻目(Charophyceae)或鞘毛藻目(Coleochaetophyceae )，以及形态简单得多的双星藻纲(Zygnematophyceae)分支。

事实上，与其他分支的绿藻相比，Zygnematophyceae 基因组有与陆地植物共享着大量之前被认为是陆地植物才特有的核心基因家族。2019年的Cell文章就认为Zygnematophyceae纲最早分化出来的Spirogloeamuscicola藻是最接近陆地植物共同祖先的基部物种。然而现存的该类藻类具有各种各样的形态，并且化石证据表明它们仅代表了先前存在的变异的一小部分，因此通过了解这些形态多样性及其潜在的发生机制，可能对植物登陆机制了解提供了丰富的机会。

图1. 绿藻及陆地植物祖先演化树（2019， Cell）

研究人员报道了Zygnematophyceae 的成员之一单细胞藻类Penium margaritaceum 的基因组序列。Penium margaritaceum 是单细胞形态，为半水生或亚空中的生活提供了显着优势。

该物种的基因组中具有高比例的重复序列，这些序列与大量节段基因重复相关，可能促进了新功能化。

与较早出现的典型不同藻类谱系相比，Penium margaritaceum 基因组里与陆地化相关的基因家族和调控系统的出现或扩展。这些包括大量的调节性TF家族和控制激素诱导的细胞形态和生理变化的植物激素信号传导网络的组成部分。最为重要的是，还有能吸收紫外线的类黄酮化合物以及参与细胞壁生物合成、组装和重塑的大量修饰酶家族的出现，能够防止紫外线辐射和应对干旱胁迫。

因此，Penium margaritaceum 的基因组序列显示，该淡水藻类物种和陆生植物的姊妹谱系成员具有在陆地上生活的若干有利特征，包括用于细胞壁生物合成的基因扩展，形成疏水性聚合物限制水分流失用来适应缺水环境，同时还含有能吸收外线的类黄酮化合物等特征，使得植物陆地化提供了条件。

https://www.cell.com/action/showPdf?pii=S0092-8674%2820%2930482-7