5亿年前陆地植物从水生亲戚中分离出来，它们是一个非常多样化的生物群体——从高大的红杉树到芳香的玫瑰，再到苔藓的地毯。对于植物来说，在干旱的土地上生存需要一些新的进化创新。例如必须开发能够从土壤中吸收养分的根系，还需要强壮的茎，在没有水浮力的帮助下支撑自身的重量。陆生植物的进化是为了应对这些和许多其他的环境挑战，导致了它们今天在世界范围内的丰富。为了更好地了解导致这一转变如此成功的遗传适应性，一个由马里兰大学的三名研究人员组成的国际团队，对与陆地植物密切相关的淡水绿色海藻Chara braunii的基因组进行了测序和分析。
一幅艺术再现描绘了淡水藻类植物Chara braunii孕育了不同类型的土地植物(L-R):苔藓，蕨类植物，针叶树和花。图片：Melanie Barth and Debbie Maizels
博科园-科学科普：通过将Chara的基因组与多种陆生植物基因组进行比较，研究小组能够识别出许多重要的基因，这些基因起源于Chara和陆生植物共享的共同祖先，其研究发表在《细胞》上。UMD细胞生物学和分子遗传学教授、植物进化专家查尔斯·德维什(Charles Delwiche)说：能从一种与陆地植物关系密切的藻类中获得基因组真是太好了，这些信息将帮助我们了解哪些陆生植物功能是真正新颖的。Chara braunii属于一种叫做Charophytic algae的植物，是陆地植物中最接近的亲戚。作为第一批进行基因组测序的轮藻之一，轮藻已经获得了关于陆地植物是如何从水生祖先进化而来的重要信息。马尔堡大学细胞生物学教授Stefan Rensing说：我们的数据显示，在这些海藻中已经发现了许多以前被认为是陆生植物的典型基因。
这就意味着，当陆地植物生长时发生的一些重要过程比以前认为的要古老得多。事实上，这些特征在陆地植物出现之前就已经存在了。例如Chara拥有检测植物激素乙烯存在所需的所有基因。这种能力存在于所有的陆地植物中，在这些植物中乙烯扮演着各种各样的角色，从促进种子发芽到在果实成熟时发出信号。UMD细胞生物学和分子遗传学系的教授、植物乙烯信号传导的专家Caren Chang说：考虑到乙烯在植物中的巨大作用，想知道乙烯信号通路是什么时候产生的，因为发现Chara有所有乙烯信号传导的特殊基因，这意味着这种能力比Chara还要古老。尽管Chara可以对乙烯产生反应，科学家们还发现Chara缺乏制造这种激素所需的细胞途径的关键步骤。Chang的实验室目前正在研究石藻和一些陆生植物如藓类、苔类和蕨类中不完全乙烯生成途径的进化和功能。
Chara与陆地植物共享的其他一些特征包括：卵子和精子细胞，这些细胞可以让植物产生可以分散在陆地上的种子；尖端生长，使植物能够发展复杂的根系，从土壤中获取营养；还有一些细胞机制对植物细胞壁的形成很重要，这使得植物能够支持自己的体重，今后Delwiche计划对与陆地植物关系较远的其它轮藻的基因组进行排序。拥有完整的基因组，有一件非常酷的事情，那就是你可以开始了解缺失了哪些片段和系统，确定哪些基因缺失，哪些物种缺失，将给我们提供植物进化的洞见。地球上到处都是各种不同寻常的植物，从穿透森林冠层的最高的红杉，到覆盖大地的最小苔藓。然而，这些引人注目的形式来自更简单的起源。陆生植物的祖先是线状(2-D)的水生绿藻，与我们今天所熟悉的三维(3-D)、直立的茎和叶非常不同。
螺旋状的分裂面，在苔藓植物的顶端形成3-D植物形态。图片：Dr Jill Harrison, University of Bristol
现在布里斯托尔大学的研究人员揭示了陆地植物是如何进化出这些3d形态的，这对它们在陆地上的发展至关重要。新研究发表在《现代生物学》上发表了，由来自大学生物科学学院的吉尔·哈里森博士领导，他发现了一种叫做克拉瓦塔肽的小蛋白质，控制着植物的生长和细胞分裂，这是生成器官，比如芽和叶子的器官。克拉瓦塔是一种基于肽和受体的信号系统，，肽移动到受体设置细胞分裂平面。然而，当研究人员在水生藻类祖先中寻找克拉瓦塔分子时找不到。这表明，CLAVATA蛋白质的进化就像第一批植物进入陆地一样。
利用苔藓来举例说明2-D到3-D的生长转变，研究人员发现，在植物茎尖上的CLAVATA蛋白旋转细胞分裂，促进了多个方向的生长。英国皇家学会大学的研究员哈里森博士说：克拉瓦塔基因被发现是特定于陆地植物的，用来调节它们独特的3-D生长模式，所以看起来这些基因在促使植物登陆方面起了重要作用。在细胞分裂模式发生根本性变化后，植物现在可以发展出许多不同的形式，使它们能够主宰地球上几乎所有的环境，因此这项研究揭示了这些小蛋白质在植物征服土地过程中发挥的关键作用。
博科园-科学科普｜参考期刊 :《细胞》（Cell），Current Biology｜研究/来自：马里兰大学，布里斯托大学
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