Cell丨程時鋒團隊揭示現存陸地植物的共同祖先起源類群

　　光合真核生命起源于大約15億年前的海洋，繁盛于有光和水的地方；大約5-6億年前，發生了綠藻陸地化事件，祖先綠色植物開始了從簡單到復雜、從水生向陸地的邁進。植物陸地化是一個漫長而復雜的演化過程，在潮起潮落、滄海桑田的跌宕變遷中，一些地理生境出現周期性干涸的現象，如形成小水坑、河床、近海泥沼等，開始了與土壤細菌混合互作和發展出新的營養獲取方式，逐漸賦予第一個陸地植物和它們的后代適應惡劣環境的能力，最終形成我們今天看到的豐富多樣的陸生植物群落。植物陸地化事件深刻地改變了整個生態系統，是地球表面“變綠”和多樣性爆發的起點，為高等生命，包括我們人類自己，提供了包括氧氣在內的、食品、營養和天然藥物等必需的生存和發展的基礎。

　　值得一提的是，在過去幾十億年的生命演化過程中，有多個類群的光合真核生物均曾突破干旱適應，成功地登陸過。但幾乎所有的化石與分子證據均表明，現存陸地植物的起源來源于一次單一登陸事件（singularity），其共同的祖先屬于一種叫做鏈型藻（Streptophyta）類的某一個支系。植物分類學家和進化學家們都做過不同的研究，分析過最簡單原始的基部陸地植物，如蘚，或苔/角苔類植物（moss, liverwort, hornworts）；大部分的研究焦點是在淡水或部分陸地生活的Streptophyta綠藻上，如與陸地植物更接近的結構復雜的輪藻目(Charophyceae)或鞘毛藻目(Coleochaetophyceae)，以及形態簡單得多的雙星藻綱(Zygnematophyceae)分支。然而，現存陸地植物的共同祖先究竟起源于哪個類群？第一個真正的綠色植物是如何從水生到陸生一步步演化且成功適應的？對這個爭議了很久的問題，科學家們一直沒有停止過追問。

A為Charophyceae, B為Coleochaetophyceae，C為Zygnematophyceae，D為Liverworts

　　2019年11月14日，中國農科院深圳農業基因組研究所程時鋒團隊與德國科隆大學Michael Melkonian教授以及加拿大阿爾伯塔大學Gane Ka-Shu Wong教授合作在Cell雜志發表了題為“Genomes of Subaerial Zygnematophyceae Provide Insights into Land Plant Evolution”的論文，證明了雙星藻綱早期分化出來的一個新發現的基部陸生生活單細胞綠藻——Spirogloea muscicola，是所有陸地植物最近緣的共同祖先。該論文同時測序和分析了另外一個淡水生活的雙星藻綱基因組——Mesotaenium endlicherianum。通過比較進化基因組學研究發現，之前被認為是陸地植物才有的很多轉錄因子，或與植物激素、抗旱抗逆等相關的基因家族，在該綠藻基因組上都能找到其祖先起源的“根”。該研究揭示了陸地植物祖先“借用”土壤細菌基因的遺傳物質創新以驅動漫長的陸地化進程。

　　在植物從水生到陸生，從簡單到復雜的演化過程中，經歷過很多重要的關鍵突破和進化創新，祖先植物陸地化是其中的重大事件之一。在基因組學時代，系統比較進化基因組學是從基因挖掘層面研究祖先植物陸地化分子基礎的強有力策略。

綠藻及陸地植物祖先演化樹

　　研究團隊獲取了來自德國科隆大學藻種中心雙星藻綱（Zygnematophyceae）中的兩個物種(Spirogloea muscicola和 Mesotaenium endlicherianum)，分別在華大基因完成全基因組測序工作。通過系統分類與比較進化基因組學研究，證實了其中之一的綠藻——Spirogloea muscicola，為首次報道的且來源于一個新鑒定分類屬（Spirogloeophycidae）的新物種；并且進一步證明Spirogloea muscicola是Zygnematophyceae最早分化出來的最接近陸地植物共同祖先的基部物種。

　　上述結論令人驚訝：這意味著，在該成果發表之前，人們一直不知道真正陸地植物祖先的基因組長啥樣，在NCBI或Google也找不到任何關于這個藻種的其他描述。更為意外的是，Zygnematophyceae的大多數物種是以單細胞或簡單的絲狀形式存在，這也是為什么之前的研究，總傾向于把更像高等陸地植物的復雜苔蘚或輪藻或鞘毛藻誤當成其陸地植物可能祖先的原因了。

　　研究團隊發現綠色植物共同祖先基因組從土壤細菌中“借”來了兩個關鍵基因：GRAS和PYL，這是陸地植物祖先適應陸地生境的關鍵分子信號。GRAS是植物研究中的明星基因之一，在功能上“多才多藝”，與植物生長、發育和抗逆等很多重要代謝途徑相關。GRAS家族里面NSP1，NSP2，RAM1等亞家族是調控菌枝叢根、結瘤共生固氮等植物生理生態過程非常重要的轉錄因子。而PYL基因則是脫落酸ABA遺傳通路中重要的受體因子。這些基因和功能之前一直認為只有陸地植物才特有。團隊第一次在該研究中將其“祖先的根”追溯到了Zygnematophyceae的兩個基因組上，并證明其起源于一次從土壤細菌中來的水平基因轉移事件（Horizontal Gene Transfer, HGTs）；而且，通過分子系統進化分析，發現該HGT事件發生的時間約為6億年前，正好與植物陸地化的化石時間吻合。

祖先陸地植物從土壤細菌中“借來”關鍵基因：GRAS和PYL

　　HGT事件是一個長期具有爭議性的話題，很多研究認為該現象只存在于原核生命中（如細菌之間），從細菌到高等真核生物的HGT事件極其罕見，且一般由于年代久遠，很難證實。近些年，陸陸續續有報道發生在高等植物中的HGT事件，如來自康奈爾大學的Fay-wei Li利用1KP項目數據證實了一個新發現的光感受器基因從角苔(hornworts)轉移到蕨類(ferns)的水平基因轉移事件【1】，為喜陰生活的蕨類賦予了極強的生態適應性。本團隊在高質量純化樣品和精細的序列分析的保障下，排除了細菌污染的可能，驗證了基因組組裝、注釋、真核基因結構和表達的數據可靠性，最后通過大規模基因組比較系統發育樹分析（phylogenomics），利用不同數據矩陣、不同軟件、不同算法和分子模型，均得到一致的暗示HGT事件的拓撲結構，證實了GRAS/PYL從細菌轉移至綠藻Zygnematophyceae與陸地植物共同祖先的HGT事件。據推測，該HGT事件是陸地植物祖先獲得功能與適應性上“歷史性飛躍”的關鍵一步，為后來的5億年中，綠色植物逐漸占領地球扮演了極其重要的角色。

　　本文的第一作者程時鋒談到，“這其實是植物的共同祖先自然發生的一次‘遺傳工程事件’，也就是人們常說的‘轉基因’事件，只是背后的操作者是大自然。如果有時光機的話，我們或許可以回到5億年前看個究竟，或許可以現場做一個基因轉化實驗。”

　　生命的演化是極其復雜的，有很多綜合影響的因素。重要的是，該研究找到了系統比較進化基因組學這一個極其有效的基因發現手段，即便利用現存的有限物種和數據，也能幫助我們研究很多億萬年前的、深度同源或平行演化性狀起源的分子規律，如C4光合作用或結瘤固氮的研究【2】。“從大自然多樣性的物種資源中獲得啟發，進行目標功能基因篩選與挖掘，是如今農業育種家們需要面對的重要內容，我們可以從biodiversity邁進‘real crops’”，程時鋒補充道。

　　據悉，基因組所程時鋒研究員為該文第一作者，德國科隆大學Michael Melkonian教授以及加拿大阿爾伯塔大學Gane Ka-Shu Wong教授為該文共同通訊作者，基因組所程時鋒團隊冼文飛實習研究員為共同第一作者。

　　參考文獻

　　1、 Fay-Wei Li et al., Horizontal transfer of an adaptive chimeric photoreceptor from bryophytes to ferns. PNAS 111(18):6672-6677 (2014).

　　2、Maximilian Griesmann et al., Phylogenomics reveals multiple losses of nitrogen-fixing root nodule symbiosis. Science 361(6398):eaat1743 (2018)