3億年興衰：桫欏生而為“樹”的奧秘

與恐龍同時(shí)代的“活化石”樹蕨植物。

3億年前的一天，兩只恐龍漫步在叢林中。它們悠閑地取食著高大的樹蕨的葉片，心滿意足。滄海桑田，恐龍已然滅絕，而樹蕨堅(jiān)強(qiáng)存活至今，被稱為植物界的“活化石”。

近日，《自然—植物》以封面文章的形式發(fā)表了桫欏（一種樹蕨）的高質(zhì)量基因組，填補(bǔ)了樹蕨植物基因組的空缺，為植物進(jìn)化提供了重要依據(jù)，在樹蕨樹干發(fā)育分子基礎(chǔ)研究方面取得了重要進(jìn)展。

該項(xiàng)研究由中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院（以下簡(jiǎn)稱林科院）林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員李全梓團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)農(nóng)科院基因組所、中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所、美國(guó)康奈爾大學(xué)等16個(gè)機(jī)構(gòu)32位科學(xué)家聯(lián)合完成。

穿越3億年的樹蕨如今趨于瀕危

蕨類植物有11500多種，是僅次于被子植物的第二大維管植物類群。

論文共同通訊作者李全梓在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說，桫欏目（Cyatheales）是蕨類中一個(gè)非常特殊的類群，其中幾個(gè)科的植物具有樹狀的莖，被稱為樹蕨，別名蛇木，是能長(zhǎng)成大樹的僅存的木本蕨類植物，有著“蕨類植物之王”的美譽(yù)。樹蕨在中生代侏羅紀(jì)恐龍生活的時(shí)期達(dá)到繁盛，是恐龍同時(shí)代的古老的“活化石”植物，但經(jīng)歷了數(shù)億年的變遷，遭遇了兩次群體縮減，如今已成為瀕危滅絕的國(guó)家二級(jí)保護(hù)植物。

“目前樹蕨的種類和數(shù)量不算多，有600多個(gè)種?！?李全梓說，由于其特殊的生活習(xí)性，樹蕨主要分布在熱帶和亞熱帶，包括中國(guó)、澳大利亞、新西蘭，以及東南亞國(guó)家等。

科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，地球上的植物經(jīng)歷了一個(gè)從水生到陸生，從單細(xì)胞到多細(xì)胞，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的漫長(zhǎng)的進(jìn)化過程。4.7億年前，藻類登陸后，逐漸形成苔蘚植物、石松類植物、蕨類植物、裸子植物和被子植物，構(gòu)成了地球上豐富多樣的植物類群。

論文共同第一作者、中國(guó)林科院林業(yè)研究所在讀博士黃雄說：“桫欏是地球上唯一存活至今的樹蕨?！?億年前的石炭紀(jì)和二疊紀(jì)時(shí)期，地球上曾經(jīng)有很多木本蕨類，比如蘆木、封印木，但它們都已滅絕。

侏羅紀(jì)時(shí)代最繁盛的動(dòng)物恐龍也滅絕了，而與恐龍同時(shí)代繁盛的樹蕨植物桫欏卻在惡劣環(huán)境中存活至今，令人感到不解?！皩?duì)這一瀕危物種的研究，有助于提高對(duì)地球地質(zhì)事件、生物進(jìn)化和生態(tài)演變的認(rèn)識(shí)，對(duì)地球植物類群多樣性的認(rèn)知和保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境極具意義，還將提高地球自然氣候變化和生物多樣性的研究水平。”李全梓說。

然而，由于蕨類植物通過孢子繁殖，對(duì)水的依賴性較強(qiáng)，所以，存活至今的很多蕨類植物比種子植物面臨更大的滅絕風(fēng)險(xiǎn)。并且，樹蕨生長(zhǎng)繁殖對(duì)環(huán)境的要求很高，它喜溫暖潮濕，厭干旱寒冷，孢子繁殖效率低。

李全梓認(rèn)為，通過對(duì)蕨類植物基因組的破譯和發(fā)育過程的研究，以及對(duì)樹蕨等蕨類植物的生長(zhǎng)習(xí)性（包括孢子繁殖過程）和對(duì)外界不良環(huán)境響應(yīng)機(jī)制的深入研究，將有效促進(jìn)桫欏的繁殖與保護(hù)。

此前，蕨類植物基因組破譯很少，僅有滿江紅、槐葉萍等幾個(gè)水蕨植物的基因組被組裝報(bào)道。“這主要因?yàn)檗ь愔参锏幕蚪M普遍非常之大，重復(fù)序列多、雜合度高，平均大小為幾十個(gè)Gb。目前已知基因組最大的蕨類植物為松葉蕨，其大小為142 Gb。這為基因組測(cè)序和組裝都帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，不僅測(cè)序費(fèi)用昂貴，而且組裝難度非常大?！?論文共同第一作者、中國(guó)農(nóng)科院基因組所在讀碩士生王文玲說。

“很多種子植物的基因組被破譯，大大促進(jìn)了人們對(duì)種子植物重要性狀的形成機(jī)制的研究。而人們對(duì)低等植物的認(rèn)識(shí)較少，對(duì)植物如何從低等植物到高等植物進(jìn)化的了解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠?！崩钊髡f。

揭開樹蕨莖干的奧秘

在進(jìn)化史中，自石松和蕨類植物開始分化的維管系統(tǒng)，大大提高了水分、無(wú)機(jī)鹽和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸機(jī)能和效率，促進(jìn)了植物莖干的形成，對(duì)莖干直立起到了支撐作用，推動(dòng)了陸地植物生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展壯大。

植物的維管組織主要是由次生壁加厚的細(xì)胞構(gòu)成，包括被子植物中運(yùn)輸水分的導(dǎo)管和支撐樹干的纖維，以及裸子植物中的管胞（兼具運(yùn)輸水分和支撐樹干的功能）。

“樹蕨具有樹狀的莖干，對(duì)它的研究將有助于理解蕨類植物如何進(jìn)化形成樹的性狀?！崩钊髡f。

該研究基于PacBio和Illumina測(cè)序，組裝了桫欏科桫欏6.2 Gb大小的基因組，并利用Hi-C數(shù)據(jù)掛載到69條染色體上。這是目前蕨類植物中第一個(gè)染色體水平的基因組。

在高質(zhì)量基因組的基礎(chǔ)上，他們共注釋了67831個(gè)高信度的蛋白編碼基因，并分析了在木質(zhì)部特異表達(dá)的基因，從分子水平揭示了樹蕨中木質(zhì)素含量高的原因。

黃雄介紹，他們首先對(duì)桫欏莖干中組成維管束的木質(zhì)部、韌皮部和厚壁細(xì)胞帶分別進(jìn)行了顯微觀察、木質(zhì)素含量的測(cè)定和結(jié)構(gòu)解析。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，桫欏木質(zhì)部中絕大部分細(xì)胞為管胞，排列緊密，類似骨骼結(jié)構(gòu)，支撐能力大大增強(qiáng)。此外，管胞的細(xì)胞壁呈現(xiàn)梯紋加厚，結(jié)構(gòu)像梯子一樣；管胞細(xì)胞壁中加厚的次生壁部分沉積大量木質(zhì)素，增加了細(xì)胞壁的機(jī)械強(qiáng)度。

“這些具有次生壁加厚的管胞對(duì)樹干具有支撐功能，使得桫欏樹干挺拔，這也可看做是從蕨類植物進(jìn)化演變到樹蕨植物的顯著標(biāo)志。”李全梓說。

同時(shí)，木質(zhì)素還在細(xì)胞壁形成“疏水”界面，能夠促進(jìn)水分在莖干中沿著管胞通道往上運(yùn)輸。

而桫欏木質(zhì)部中木質(zhì)素含量較高，說明樹蕨管胞的運(yùn)輸和支持功能主要是由木質(zhì)素含量決定的。

其次，他們分析了在木質(zhì)部特異表達(dá)的基因。

此前研究發(fā)現(xiàn)，植物特有的NAC轉(zhuǎn)錄因子是調(diào)控細(xì)胞次生壁加厚的關(guān)鍵因子，其中VND家族成員調(diào)控被子植物導(dǎo)管和裸子植物管胞的發(fā)育。

黃雄介紹，他們鑒定到2個(gè)VND基因在木質(zhì)部中顯著上調(diào)表達(dá)，表明其可能是管胞次生壁加厚的重要調(diào)控因子。相對(duì)于2種水蕨，桫欏中木質(zhì)素生物合成途徑相關(guān)的家族成員明顯擴(kuò)張，在木質(zhì)部和孢子囊堆中表達(dá)的家族成員較多。這從分子水平上揭示了樹蕨中木質(zhì)素含量高的原因。

探究桫欏藥理作用的分子機(jī)理

論文共同通訊作者、中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院教授朱平介紹，樹蕨的莖干又稱為“龍骨風(fēng)”，有較好的藥用價(jià)值，可用于治療風(fēng)濕和外傷，對(duì)人體有清熱解毒止咳、消炎鎮(zhèn)痛、增強(qiáng)免疫力等功效?！把芯繕滢У纳L(zhǎng)發(fā)育及次生代謝物質(zhì)的合成，對(duì)于其進(jìn)化規(guī)律的認(rèn)識(shí)、藥理應(yīng)用及保護(hù)都具有重要意義?！敝炱秸f。

然而，樹蕨生長(zhǎng)速度緩慢，100年才長(zhǎng)高幾米。多種原因?qū)е妈鴻逶谧匀唤缰写婊顢?shù)量有限?！霸谶@樣的情況下，雖然桫欏具有良好的中醫(yī)藥理作用，但由于生長(zhǎng)速度緩慢，而無(wú)法將其作為藥材進(jìn)行充分有效地利用，并一直未列入中醫(yī)藥典。”朱平說。

“通過對(duì)桫欏這一樹蕨植物生長(zhǎng)習(xí)性和繁殖過程的研究和認(rèn)識(shí)，未來(lái)以人工途徑來(lái)輔助和促進(jìn)繁殖將成為可能，還可以實(shí)現(xiàn)繁殖增速。不僅可避免物種滅絕，實(shí)現(xiàn)植物多樣性保護(hù)和地球生態(tài)環(huán)境保護(hù)，還能夠?qū)⑵渥鳛橹兴幩幉倪M(jìn)行廣泛研究和使用，在生物醫(yī)藥領(lǐng)域?yàn)槿祟愒旄??！崩钊髡f。

“桫欏中的次生代謝物質(zhì)非常豐富，我們對(duì)純化得到的11個(gè)物質(zhì)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)解析，其中一個(gè)新物質(zhì)具有較好的抗氧化活性?！闭撐墓餐谝蛔髡?、中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所副研究員鞏婷說，該物質(zhì)由牛奶樹堿和白皮杉醇聚合而成。轉(zhuǎn)錄組分析和體外酶活性測(cè)定鑒定了牛奶樹堿和白皮杉醇合成及聚合的候選基因。最終構(gòu)建了在桫欏木質(zhì)部中以苯丙氨酸為起始的合成木質(zhì)素、黃酮和聚酮類化合物的代謝途徑。

“還有大量的次生代謝物質(zhì)等待鑒定，這些物質(zhì)具有的藥理活性也亟待研究，發(fā)現(xiàn)并解析次生代謝物質(zhì)合成途徑更具有良好的應(yīng)用前景。”朱平說。

““桫欏是唯一已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的木本蕨類植物, 在植物進(jìn)化史上，更是現(xiàn)存植物中最早具有樹的性狀的古生代植物，桫欏等樹蕨類植物在地球整個(gè)生物進(jìn)化過程中占有重要位置，對(duì)桫欏的研究將有助于深入了解地球生命幾十億年史詩(shī)般的演化歷程，運(yùn)用生物學(xué)思維來(lái)提高對(duì)生命的認(rèn)知和理解，也將填補(bǔ)地球生命和植物進(jìn)化過程研究的空白。”李全梓說。