12月16日，Nature Plants雜志在線發(fā)表了深圳華大生命科學(xué)研究院聯(lián)合德國團(tuán)隊(duì)合作的研究論文，該研究報道了兩個鏈形植物門最早分化出的輪藻基因組，揭示了綠色植物起源和演化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，并解釋了10億年前，早期陸地植物在登陸過程中，如何逐步適應(yīng)陸地環(huán)境的分子機(jī)制。

據(jù)介紹，大約15億年前的海洋，一些真核生物吞噬光合藍(lán)細(xì)菌，形成了紅藻、灰胞藻和綠藻，第一次形成了能進(jìn)行光合作用的真核生物，這次事件被稱作第一次內(nèi)共生事件。而在距今10億年前，綠藻進(jìn)行了一次分化，一部分形成了生活環(huán)境主要在海洋的綠藻門分支，另一部分形成了生活環(huán)境主要在淡水的輪藻門分支。輪藻適應(yīng)了淡水的環(huán)境，完成了從海洋到淡水的過渡，這一次進(jìn)化事件猶如黎明的一道光，照亮了綠色植物陸地化的過程。從此綠色植物開始了從簡單到復(fù)雜、單細(xì)胞生物到多細(xì)胞生物，從水生到陸生的漫長而復(fù)雜的陸地化過程。

華大生命科學(xué)研究院萬種植物基因計(jì)劃(10KP)研究團(tuán)隊(duì)獲取了來自德國科隆大學(xué)藻種中心Mesostigma viride (CCAC 1140) 和Chlorokybus atmophyticus (CCAC 0220)兩個輪藻，分別在華大基因完成全基因組測序分析工作。通過系統(tǒng)分類與比較進(jìn)化基因組學(xué)研究，進(jìn)一步證實(shí)了之前的科學(xué)觀點(diǎn)：Mesostigma和 Chlorokybus為鏈形植物門最早分化出來的綠色植物分支。從棲息地的區(qū)別來看，處在最古老階段的輪藻已經(jīng)開始嘗試進(jìn)行登陸了，并進(jìn)行了從單細(xì)胞到多細(xì)胞轉(zhuǎn)變，從水生到陸生的適應(yīng)。不僅如此，為了有效的進(jìn)行陸地化準(zhǔn)備，在早期輪藻階段，鞭毛這種和水生環(huán)境息息相關(guān)的器官也已經(jīng)開始退化。早期輪藻在登陸過程中，已經(jīng)開始在遺傳代謝和形態(tài)學(xué)方面進(jìn)行了一些改變，為適應(yīng)陸地環(huán)境開始做準(zhǔn)備。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，為了適應(yīng)快速變化的環(huán)境, 早期的輪藻積極開展重新組裝和降解細(xì)胞壁組件增強(qiáng)細(xì)胞壁的靈活性在滲透壓力。通過比較基因組學(xué)，作者發(fā)現(xiàn)Chlorokybus具有植物類型的纖維素合成酶 (CESA/CSLD-like)，和纖維素細(xì)胞壁成分降解相關(guān)的內(nèi)切葡聚糖酶 (Endoglucanase)。然而，Mesostigma不編碼植物類型的纖維素合成酶，和纖維素細(xì)胞壁成分降解相關(guān)的內(nèi)切葡聚糖酶。Chlorokybus中開始出現(xiàn)植物類型纖維素的代謝，進(jìn)一步證明了早期輪藻為了適應(yīng)陸地環(huán)境，已經(jīng)開始改變細(xì)胞壁的成分。另外，光敏色素是植物生長和發(fā)育的調(diào)節(jié)息息相關(guān)的重要色素,而植物類型的光敏色素的起源可以追溯到早期輪藻中，我們在早期的輪藻中發(fā)現(xiàn)了兩種不同類型的光敏色素，其中一種的基因結(jié)構(gòu)和陸地植物相同。綠色植物在進(jìn)化過程中，形態(tài)學(xué)上也發(fā)生了明顯的改變，最明顯的就是鞭毛的丟失。作者通過大規(guī)模的比較基因組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)在綠色植物分支有幾次明顯的鞭毛丟失事件，而其中一次發(fā)生在陸地化過程中。

研究人員表示，該研究提供了早期輪藻的基因組數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了藻類到植物陸地化進(jìn)化研究過程中一直缺失的重要節(jié)點(diǎn)，進(jìn)一步揭示了綠色植物陸地化過程中，一些重要基因的起源及重要遺傳代謝的進(jìn)化機(jī)制，對認(rèn)識整個生命系統(tǒng)起源具有重要的理論和實(shí)踐意義。

該論文的第一作者為深圳華大生命科學(xué)研究院與哥本哈根大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生王思博，華大生命科學(xué)院研究院與丹麥科技大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的博士生李林洲，通訊作者為深圳華大生命科學(xué)研究院劉心和劉歡研究員，德國科隆大學(xué)Michael Melkonian教授等。(記者劉傳書)

關(guān)鍵詞： 植物適應(yīng)機(jī)制