鐵線蕨 中國農科院供圖
真葉和種子是植物進化史上兩個非常關鍵創新性狀（key innovation）。它們的出現使得植物獲得了飛躍性的生存能力。而真葉和種子進化的奧秘都與真蕨植物有關。
近日，中國農科院科學家完成了真蕨植物模式物種鐵線蕨基因組圖譜的繪制和分析，并找到了真葉和種子進化的重要線索。這讓鐵線蕨這種嬌小的植物登上了《自然—植物》雜志的封面。
論文審稿人認為，同型孢子真蕨植物基因組是人們期待已久的。鐵線蕨基因組組裝和注釋非常出色，這是第四個被測序的蕨類基因組，但卻是第一個具有這種連續性水平。它可能成為重要的蕨類植物基因組參考。
身背兩大關鍵創新性狀的秘密
植物在4.7億年漫長的演化中，共形成了5大類群：苔蘚植物、石松植物、真蕨植物、裸子植物和被子植物。其中，裸子植物和被子植物合稱種子植物，而真蕨植物又和種子植物合稱真葉植物。
論文通訊作者、中國農科院（深圳）農業基因組研究所研究員閆建斌告訴《中國科學報》， “承前啟后”的真蕨植物是全面揭示和解析真葉與種子起源與演化必不可少的一環。
“關鍵創新性狀可以被看成是不同的植物類群的‘獨門絕技’，幫助植物更好地適應環境。’”論文第一作者、中國農科院（深圳）農業基因組研究所博士后房昱含在接受《中國科學報》采訪時說，著名的“獨門絕技”包括：
出現在石松植物中的維管束，使得營養物質在植物體內的遠距離運輸成為可能，植物因此體積擴大、結構多樣。
植物的另一項“武林絕學”是從石松植物的“小型葉”進化而來的“大型葉”，即“真葉”，擁有多條葉脈，支持更大更厚實的葉片產生，制造更多的營養，值得植物體結構更加復雜、生物量增加。
又一個里程碑式的革新性狀是種子，在胚乳和種皮的包裹下，幼胚可以在極端環境中休眠，吸收自帶的營養物質，也能感知外界環境變化而啟動萌發機制。擁有種子的植物迅速占領了大片陸地生境，被子植物更是快速演化出了25萬之多的物種，成為當代陸地生境的霸主。
“真蕨植物與種子植物在上億年前，起源于同一祖先。”房昱含解釋說，如今的真蕨植物與種子植物是最近的姊妹類群，真葉是二者共同擁有的革新性狀。
此外，要理解種子這一革新性狀的出現，則需要研究沒有種子的植物類群。
真蕨植物在進化關系上恰好位于種子和真葉兩大革新性狀出現的交匯點。“真蕨植物既是推斷真葉植物關鍵創新性狀（真葉）的重要類群，也是全面理解種子植物關鍵創新性狀（種子）的關鍵類群。”閆建斌說。
然而，真蕨植物約有11000多種，選擇誰作為研究對象更有代表性？研究團隊將目光投向了能代表99%的真蕨植物的模式物種——鐵線蕨。
鐵線蕨的生命周期。中國農科院供圖
房昱含解釋道，絕大部分真蕨植物沒有產生雌雄分化，是以同型孢子為核心的繁殖方式。鐵線蕨正是這類同型孢子真蕨。同時，鐵線蕨的所有葉片均可以產生孢子，不似有些真蕨物種，僅在特定的葉片產生。鐵線蕨的原葉體由于扁平且液泡清晰等特點，還用于光生物學的研究。因此，鐵線蕨更具可操作性，也就更適合作為科研對象，利于實驗室的培養和觀察。
第一個同型孢子真蕨植物基因組
“我們是帶著解決種子起源和真葉起源的問題開始這一工作的。”閆建斌說，他們還發現，蕨類植物的抗蟲性比較高。而這種抗蟲性又與茉莉素信號通路有關。
于是他們的研究自然而然地聚焦到了這些方面。
在真蕨植物中，還有1%的異型孢子物種，它們的繁殖過程產生了性別分化。閆建斌介紹說，同型孢子與異型孢子物種在生活史、基因組大小和染色質數量上差異巨大。同型孢子真蕨以具有超大的基因組而聞名，其基因組大小平均高達12 Gb，最高可達148 Gb；而異型孢子真蕨的基因組大小要正常得多，平均值是2.43 Gb。
“可見同型孢子與異型孢子真蕨的基因組信息互相不具有代表性，兩者聯合分析才可以代表真蕨基因組特征。遺憾的是，目前已經測序的2個真蕨物種，均為異型孢子真蕨，而高質量的同型孢子真蕨基因組信息仍然是缺失的。”閆建斌說。
閆建斌團隊首次完成了同型孢子真蕨植物鐵線蕨基因組的拼接、注釋和分析。他們繪制了染色體級別的鐵線蕨基因組，拼接基因組達到4.83 Gb，覆蓋了97.58%的基因組，該基因組具有很高的完整性和連續性。
利用這一高質量基因組，他們進一步完成了基因組結構分析。結果發現，同型孢子真蕨基因組的擴張，并非如先前假設的那樣，由近期的全基因組加倍導致，而是重復序列擴張的結果。
揭曉種子和真葉起源的答案
獲得了高質量的基因組，如何尋找種子和真葉起源的答案呢？
閆建斌介紹，所有陸生植物均具有胚胎結構，但是能夠積累營養物質的結構，卻是種子植物所特有的。
1991年，科學家發現了引起轟動的LEC1基因。它的突變體具有完整且功能正常的幼胚，但儲存營養物質的結構——子葉干癟，導致種子因為營養物質不足，無法完成脫水休眠過程，而不能正常萌發。然而，如果在種子發育早期，對突變體外施水分，種子仍舊可以度過脫水休眠過程，正常萌發，并產生與正常植株類似的植株。
“LEC1基因首次表明種子的發育與胚胎的發育是兩個可以相互獨立的過程。LEC1基因賦予了種子最關鍵的生理性狀，LEC1分子和功能進化的研究對于理解種子的起源形成具有重要意義。”閆建斌說。
前人已經發現，LEC1基因起源于石松植物之中，遠遠早于種子的出現。那么，LEC1基因為什么沒有導致石松和真蕨植物出現種子？
房昱含介紹到，LEC1基因在成熟階段調控同化物積累，而其種子植物同源基因亦具有相同的功能，是種子發育的核心調控因子。
他們證實了LEC1調控網絡在種子起源前至少300萬年已經形成，且具有保守的同化物積累調控功能。在真蕨植物中，該網絡在孢子發育時期發揮作用；而在種子植物中，該網絡被招募到種子發育過程之中，賦予了種子同化物積累這一重要的生理性狀。這些結果為理解種子起源提供了新的見解。
此外，通過對真葉植物各進化節點的祖先基因推斷，該團隊首次發現真葉植物的最近共同祖先中，BRI1-BRL基因家族在真葉植物中發生過兩次復制，從而形成了真葉植物共有的BRL2亞家族，以及種子植物中特異擴張的BRI1BRL1-3亞家族。
房昱含說，他們還驗證了這些基因在維管束分布豐富的葉柄和葉片中表達顯著。這些結果顯示了BRI1-BRL基因家族的擴張很可能與真葉維管系統的起源有關，是推動真葉植物維管系統復雜化進而產生真葉的分子動力。
研究團隊還探索了蕨類植物優秀的抗蟲機制的分子基礎。閆建斌強調，這種抗蟲機制與茉莉素信號通路密切相關。茉莉素廣泛存在于植物界中，在調控植物生長發育與激活防御反應等方面具有不可或缺的作用。茉莉素的合成過程會先后形成OPDA、JA和JA-Ile等信號分子，在不同的植物類群中存在不同的茉莉素信號分子。
他們的研究表明，鐵線蕨中存在兩類茉莉素活性分子OPDA和JA-Ile。在對傷處理的響應中，鐵線蕨可同時上調這兩類茉莉素分子，并且導致大量對蟲類有毒的次生代謝產物快速合成。“這一雙重響應機制很可能是真蕨植物抗蟲能力出色的原因之一。”閆建斌說。此外，這說明種子植物中的主要活性分子JA-Ile在蕨類中開始出現，而在石松類和苔蘚類等植物中主要以OPDA作為茉莉素的活性分子。
閆建斌認為，對真蕨植物孢子發育、葉片形成等分子機制的解析，與被子植物的研究領域區別比較大，或將引起一些新的啟發，有助于促進現代作物的分子設計育種。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41477-022-01222-x
