两次新基因大爆发,塑造了今天的地球
2020-01-19 22:02

两次新基因大爆发,塑造了今天的地球

本文来自微信公众号:原理(ID: principia1687),作者:Bowles,Photo by Louis Maniquet on Unsplash


一、


如果有机会穿梭回5亿年前的地球,你会发现那时的地球和今天很不一样。那时,陆地上还没有植物,只有一些细菌、真菌和藻类能够在陆地上生存,其他所有生物都生活在海洋中。当然,你最好记得带上呼吸设备,因为那时地球大气的成分也很不一样。


但是,在植物上演了一场“登陆”大戏之后,那样一个世界就几乎完全变了。植物的出现带来了土壤、河流,和富含氧气的大气,使得动物最终得以在此生存。在所有的动物中,出现了一种名为智人的物种。在所有智人中,又有一批“最聪明”的植物学家借助复杂的电脑模拟技术,重新“回到”了4.7亿年前的地球,他们找到了第一批占领陆地的植物在从水中到陆地演化的过程中出现的新基因。这项发表在《当代生物学》的最新研究发现,新基因的爆发式出现帮助植物从水中转移到陆地上。


二、


就像今天的植物一样,第一批陆地植物包含了许多不同功能的细胞,这些细胞受到数千个基因调控。研究人员比较了207个现有植物物种的基因组,发现了最先让植物登陆的基因,也就是那个永远地改变了地球生物的关键。


在植物向陆地过渡的过程中,陆地植物的起源与新基因的两次爆发有关,这两次爆发带来了前所未有的基因创新。第一次爆发发生在陆地植物起源之前,也就是植物离开水生环境之前,这次爆发包含了能够解释植物为什么是多细胞的基因。第二次爆发与陆地植物的起源同时发生,它涉及与适应陆地环境中的挑战有关的基因。



○ 图片来源:Current Biology


这意味着陆生植物的进化是由新基因的出现推动的,以前在近亲中并没有发现这些新基因。我们之所以知道这一点,是因为自然选择会除去对生物体功能不重要的基因,所以如果这些基因没有发挥重要作用,它们就会丢失。


有趣的是,在研究中涉及的所有陆地植物中都发现了这些新的基因,包括开花植物(番茄、水稻和兰花)以及非开花植物(松柏植物、银杏和藓类)。这表明,这些基因对于植物在陆地上生存至关重要,但基因如何帮助陆地植物的祖先适应新的环境呢?



○ 当陆地植物进化时,许多新的基因在植物中出现。| 图片来源:Alexander Bowles


三、


绿藻是第一批陆生植物的近亲之一,主要存在于海洋和河流等水生生态系统中。它们能够从周围环境中吸收水分和营养。当植物第一次占领陆地时,它们需要一种新的方式来获取养分和水,而不必一直浸泡在水中。


研究人员发现基因是通过发展假根而帮助早期陆地植物完成这一任务的。这种根状结构帮助它们在地面保持固定,获得水分和养分。他们还发现了与向重力性(向地性)有关的基因,这是帮助根系朝正确方向生长的原因。毕竟,离开水的生活意味着需要知道哪里是“下”。这些新基因帮助协调植物的假根向下生长,并确保茎的生长,以最大限度地接收它们所能吸收的光。


植物从水到陆地的转变发生在有光和极热且水分很少的环境中。他们发现的这些基因使早期的陆地植物能够适应生活在水外的压力,确保它们能够立足,并忍受这些恶劣的环境。


陆地植物和它们的近亲绿藻之间的一大区别是,陆地植物会发育出胚。在藓类和蕨类植物中,这种胚以孢子的形式出现,而在许多其他植物中,它是种子。他们发现了一些基因,这些基因使第一批陆地植物能够用专门的组织来生产和保护这些胚,这些组织可以降低紫外线和热量的伤害。


通过保护胚,植物增加了其基因传递给下一代的机会,使它们更容易分散和存活,并允许陆地植物在贫瘠的土地上定居。


植物从水到陆地的转变是地球生命史上最重要的变化之一。随着陆地植物进化而出现的新基因数量,远远超过了植物进化史上的任何一个时期,甚至超过了开花植物带来的基因的数量。



○ 多样的陆地植物。| 图片来源:Alexander Bowles


这种新基因的爆发增长标志着植物生命史上最重要的进化发展。此前,科学家认为,基因水平的逐渐变化是陆地上植物出现的基础。现在我们知道,通过基因创新的爆发,第一批陆地植物能够产生胚,忍受一系列环境压力,并将自己锚定在陆地上。这些新的基因使植物能够主宰旱地,丰富成374000多个物种,并塑造我们今天在世界各地看到的现代生态系统。


参考来源:

https://theconversation.com/we-found-the-genes-that-allowed-plants-to-colonise-land-500-million-years-ago-128977  

https://www.bristol.ac.uk/news/2020/january/land-plants.html  

https://doi.org/10.1016/j.cub.2019.11.090  



本文来自微信公众号:原理(ID: principia1687),作者:Bowles

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