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我们身边有形形色色的植物，其中绝大多数属于能够开花结果的种子植物。据估计，目前世界上的植物种类高达30多万种，其中2/3属于种子植物。最早的种子植物出现在3.6亿年前的泥盆纪，然而直到数千万年之后的石炭纪末期，种子植物才开始崛起，并逐渐在二叠纪末期取代蕨类植物成为地球的霸主，地球也因此进入中生代。然而，种子植物为什么会在古生代晚期开始崛起？至今，这仍是未解之谜。6日，国际学术期刊《自然·植物》在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心晁代印研究组联合湖北大学生命科学学院吕世友研究组合作完成的一项研究，该研究首次从特化细胞壁进化的角度揭示种子植物崛起的奥秘。
根系是植物吸收和运输水分及矿质营养的关键器官，在植物演化过程中扮演重要作用。早在种子植物形成之前，根就在石松植物、蕨类植物和种子植物的共同祖先中出现了，但其结构和功能一直处于进化之中。合作课题组利用18个不同进化节点中的代表性植物物种，系统开展根系内皮层凯氏带和木栓质片层起源的研究。该研究发现，凯氏带存在于包括石松类、蕨类、裸子植物以及被子植物在内的所有维管植物，而木栓质片层仅存在于包括裸子植物和被子植物在内的种子植物中。这些证据表明，凯氏带起源于所有维管植物的共同祖先，而木栓质片层则在更晚的种子植物共同祖先中才被进化出来。这一结果推翻了植物学界长期以来关于木栓质片层和凯氏带共同起源的观点，为研究木栓质片层的进化提供了新视角。
该研究的分子进化分析发现，大部分木栓质形成相关基因在种子植物的共同祖先中出现了大规模扩张，导致了基因功能的创新，使得原本没有木栓质合成能力的基因获得了合成木栓质的功能。研究者利用木栓质缺失的遗传材料，发现缺失了木栓质的拟南芥对于干旱更为敏感，并随后揭示木栓质片层对于植物维管水分的运输效率具有极其重要意义。而与此结果一致的是，地质学家早就发现种子植物崛起、蕨类植物衰落的古生代末期，正是地球从湿润转入干旱的时期。
据此，研究者们提出了一个全新的种子植物崛起模型：石炭纪湿润的气候下没有木栓质片层的蕨类植物水分和营养吸收效率更高，更能适应当时的环境，因此更为繁荣；而在石炭纪晚期开始的干旱气候下，进化出了木栓质片层的种子植物具备了更高效的水分运输效率，具有了更强的干旱适应能力，从而能够逐渐取代蕨类植物，成为地球表面的霸主。
该研究不仅揭示了凯氏带和木栓质的起源之谜，并且从一个崭新的角度首次证实，木栓质的出现是促进种子植物崛起的驱动力。此外，研究发现了木栓质片层在植物应对干旱等逆境胁迫中发挥的重要作用，对提高植物的抗旱性、解析植物耐盐耐旱机制以及研发抗旱新品种等具有重要价值。
发布时间：2023-11-08 09:01
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