我們身邊有形形色色的植物，其中絕大多數(shù)屬于能夠開花結(jié)果的種子植物。據(jù)估計，目前世界上的植物種類高達(dá)30 多萬種，其中2/3 屬于種子植物。最早的種子植物出現(xiàn)在3.6 億年前的泥盆紀(jì)，然而直到數(shù)千萬年之后的石炭紀(jì)末期，種子植物才開始崛起，并逐漸在二疊紀(jì)末期取代蕨類植物成為地球的霸主，地球也因此進(jìn)入中生代。然而，種子植物為什么會在古生代晚期開始崛起？至今，這仍是未解之謎。6 日，國際學(xué)術(shù)期刊《自然·植物》在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心晁代印研究組聯(lián)合湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院呂世友研究組合作完成的一項研究，該研究首次從特化細(xì)胞壁進(jìn)化的角度揭示種子植物崛起的奧秘。

根系是植物吸收和運輸水分及礦質(zhì)營養(yǎng)的關(guān)鍵器官，在植物演化過程中扮演重要作用。早在種子植物形成之前，根就在石松植物、蕨類植物和種子植物的共同祖先中出現(xiàn)了，但其結(jié)構(gòu)和功能一直處于進(jìn)化之中。合作課題組利用18個不同進(jìn)化節(jié)點中的代表性植物物種，系統(tǒng)開展根系內(nèi)皮層凱氏帶和木栓質(zhì)片層起源的研究。該研究發(fā)現(xiàn)，凱氏帶存在于包括石松類、蕨類、裸子植物以及被子植物在內(nèi)的所有維管植物，而木栓質(zhì)片層僅存在于包括裸子植物和被子植物在內(nèi)的種子植物中。這些證據(jù)表明，凱氏帶起源于所有維管植物的共同祖先，而木栓質(zhì)片層則在更晚的種子植物共同祖先中才被進(jìn)化出來。這一結(jié)果推翻了植物學(xué)界長期以來關(guān)于木栓質(zhì)片層和凱氏帶共同起源的觀點，為研究木栓質(zhì)片層的進(jìn)化提供了新視角。

該研究的分子進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn)，大部分木栓質(zhì)形成相關(guān)基因在種子植物的共同祖先中出現(xiàn)了大規(guī)模擴張，導(dǎo)致了基因功能的創(chuàng)新，使得原本沒有木栓質(zhì)合成能力的基因獲得了合成木栓質(zhì)的功能。研究者利用木栓質(zhì)缺失的遺傳材料，發(fā)現(xiàn)缺失了木栓質(zhì)的擬南芥對于干旱更為敏感，并隨后揭示木栓質(zhì)片層對于植物維管水分的運輸效率具有極其重要意義。而與此結(jié)果一致的是，地質(zhì)學(xué)家早就發(fā)現(xiàn)種子植物崛起、蕨類植物衰落的古生代末期，正是地球從濕潤轉(zhuǎn)入干旱的時期。

據(jù)此，研究者們提出了一個全新的種子植物崛起模型：石炭紀(jì)濕潤的氣候下沒有木栓質(zhì)片層的蕨類植物水分和營養(yǎng)吸收效率更高，更能適應(yīng)當(dāng)時的環(huán)境，因此更為繁榮；而在石炭紀(jì)晚期開始的干旱氣候下，進(jìn)化出了木栓質(zhì)片層的種子植物具備了更高效的水分運輸效率，具有了更強的干旱適應(yīng)能力，從而能夠逐漸取代蕨類植物，成為地球表面的霸主。

該研究不僅揭示了凱氏帶和木栓質(zhì)的起源之謎，并且從一個嶄新的角度首次證實，木栓質(zhì)的出現(xiàn)是促進(jìn)種子植物崛起的驅(qū)動力。此外，研究發(fā)現(xiàn)了木栓質(zhì)片層在植物應(yīng)對干旱等逆境脅迫中發(fā)揮的重要作用，對提高植物的抗旱性、解析植物耐鹽耐旱機制以及研發(fā)抗旱新品種等具有重要價值。