當植物登上陸地以後

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根據目前的化石證據,植物大概在4.7億到4.5億年前開始登陸。這個登陸的過程應該是漫長而漸進的,比較合理的說法,或許可以這樣想:某些生長在水陸交界的植物,因為受到潮汐的影響,使得它們在每天的某些日子裡,會遭遇到乾燥的狀況。


有些植物可能就這樣枯萎了,有些植物,因為累積的基因變異,讓它們能夠在乾燥的狀況下存活數小時而不會死亡。慢慢的,這些植物裡面的一部分累積了新的變異,也愈來愈適應陸地的生活,於是就成了第一批的陸生植物。


要適應陸地的生活,需要有什麼樣的基因變異呢?我們當然可以發揮想像力,但是,隨著基因定序技術的日新月異,我們已經可以快速且大量地定序許多生物的基因體;加上生物資訊工具的發展,我們得到了大量運算與分析的能力。所以,與其空想,我們可以透過研究、比較、分析水生植物與陸生植物的基因體,或許它們更可以告訴我們,到底登陸需要配備什麼?


最近的研究,分析了37種植物的基因體。研究團隊從這些物種的57,795個基因家族中,找到了植物由水而陸發生了多少變化。


這37種植物包括了五種藍綠菌、6種綠藻、7種與陸地植物關係較近的藻類(如輪藻、鞘藻等)、19種陸地植物(包括了苔蘚、維管束植物)。


從這些植物的基因家族中,研究團隊確定了2475個與壓力有關的基因家族。結果發現,陸生植物雖然有不少新的基因生成,但是這些新的基因卻不是憑空產生的,而是透過重新組合已經存在的蛋白質結構域(domain)來產生的。簡單一點的說法就是,陸生植物利用它們的水生祖先已經有的零件,將這些零件重新組合應用(很像玩樂高積木),產生新的工具用來抵抗陸地生活的壓力。


這種現象(稱為「拼接演化」)比從頭創新基因要有效率得多,大約有四分之一的陸地植物特有的壓力相關基因是這麼來的。像負責茉莉酸信息傳導的JAZ蛋白的結構域,其實在藻類中就已經存在;但是只有陸地植物有JAZ蛋白。


另外,對陸地植物非常重要、與泛素(ubiquitin)調節途徑息息相關的F-box蛋白,到了被子植物才出現顯著的擴張。


除了F-box蛋白,另外還有參與RNA編輯與加工的PPR與TPR結構域,在陸生植物中竟然擴張了有大約2000倍之多。同樣在陸生植物出現擴張的還有與蛋白質激酶(protein kinase)相關的結構域以及LRR(leucine-rich repeat)結構域,都出現明顯的擴張。研究團隊認為,這可能是陸生植物需要應對更多的刺激所產生的演化。


總而言之,植物登上陸地以後,除了乾燥與輻射壓力,還面對了更多不同的環境壓力。這些壓力讓陸生植物需要新的基因來因應新的挑戰,而植物應對這些挑戰的方法,主要是靠著重新組合已有的零件來創造新的功能。


參考文獻:


Dhabalia Ashok Amra, de Vries Sophie, Darienko Tatyana, Irisarri Iker and de Vries Jan 2024 Evolutionary assembly of the plant terrestrialization toolkit from protein domainsProc. R. Soc. B.29120240985 http://doi.org/10.1098/rspb.2024.0985


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