裸子植物的DNA复制有什么优势可言？

　　

植物是DNA贮藏者。遵循着永远不会扔掉任何以后可能有用的东西的格言，他们经常复制他们的整个基因组，并抓住额外的基因包袱。所有这些额外的基因都可以自由变异，产生新的身体特征，加快进化的速度。

一项新的研究表明，这种复制事件在裸子植物的整个进化史中都是至关重要的，裸子植物是一组多样的种子植物，包括松树、柏树、红杉、银杏和苏铁。发表在《Nature Plants》杂志上的这项研究表明，现代裸子植物祖先的基因组复制可能直接促成了3.5亿年前这个群体的起源。随后的复制为创新特征的进化提供了原料，使这些植物能够在剧烈变化的生态系统中持续生存，为最近2000万年来的复苏奠定了基础。

佛罗里达自然历史博物馆（Florida Museum of Natural History）博士研究生、该项研究的主要作者Gregory Stull说：“这一进化开始时的事件为基因进化创造了机会，创造了全新的功能，有可能帮助裸子植物过渡到新的栖息地，并有助于它们的生态优势。”

近距离观察裸子植物

虽然有两组以上的染色体——一种称为多倍体的现象——在动物中很少见，但在植物中却很常见。例如，我们吃的大多数水果和蔬菜都是多倍体，通常涉及两个密切相关物种之间的杂交。许多植物，包括小麦、花生、咖啡、燕麦和草莓，受益于DNA的多个不同拷贝，这可以加快生长速度，增加大小和重量。

然而，到目前为止，多倍体是如何影响裸子植物进化的还不清楚。尽管它们拥有植物界最大的一些基因组，但它们的染色体数目较低，这几十年来促使科学家们认为多倍体在这些植物中并不普遍或重要。

裸子植物的遗传学也很复杂。他们庞大的基因组使他们的研究具有挑战性，他们的大部分DNA由重复序列组成，这些序列不编码任何东西。
佛罗里达博物馆馆长Douglas Soltis说：“什么使裸子植物基因组复杂，它们似乎有积累大量重复元素的倾向。像银杏、苏铁、松树和其他针叶树之类的植物都充满了这些与基因组复制无关的重复性物质。”

然而，包括Soltis在内的植物生物学家最近合作从1000多种植物中获取大量基因序列，这为试图拼凑陆地植物进化的悠久历史的科学家打开了新的大门。Stull现在是中国科学院昆明植物研究所的博士后研究员，他和他的同事将这些数据和新生成的序列结合起来，让裸子植物有了新的面貌。

基因组复制产生了裸子植物

通过比较活裸子植物的DNA，研究人员能够追溯到过去，发现了与主要类群起源一致的多个古代基因组复制事件的证据。

裸子植物在其漫长的历史中经历了重大的灭绝，因此很难理解它们之间关系的确切性质。但所有现存裸子植物的基因组都有着远在3.5亿多年前的古代复制品的特征。一亿多年后，另一个复制品产生了松树家族，而第三个复制品导致了罗汉果的起源，罗汉果是一个主要由树木和灌木组成的群体，今天主要局限于南半球。

在每一个案例中，分析都揭示了重复DNA与独特性状进化之间的紧密联系。虽然还需要进一步的研究来确定多倍体到底产生了哪些特征，但可能的候选者包括苏铁奇怪的蛋状根，这些根中含有固氮细菌，以及现代针叶树中发现的各种球果结构。Stull说，例如，罗汉果的球果经过高度修饰，看起来像水果：“它们的球果非常肉质，颜色各异，被不同的动物散布。”

竞争和气候变化导致了灭绝和多样化

Stull和他的同事还想知道基因组复制是否会影响新裸子植物物种的进化速度。但他们发现，在全球气候显著变化的背景下，物种灭绝和多样化之间存在着复杂的相互作用，而不是一种明确的模式。

今天，大约有1000种裸子植物，与30万种左右的开花植物相比，它们似乎并不多。但在它们的鼎盛时期，裸子植物的多样性要大得多。

在6600万年前的小行星灭绝事件之前，裸子植物仍然繁衍生息，最著名的是恐龙的灭绝。但这次撞击所带来的巨大生态变化改变了规模：恐龙消失后，开花植物很快开始超越裸子植物谱系，裸子植物谱系因此遭受了大范围的灭绝。一些群体被完全消灭，而另一些群体几乎无法生存到现在。例如，曾经繁荣一时的银杏科，如今只剩下一个活着的物种。

但这项研究的结果表明，至少一些裸子植物群体在2000万年前开始卷土重来，恰逢地球向更凉爽、更干燥的气候过渡。

合著者、佛罗里达博物馆馆长、佛罗里达大学杰出教授Pamela Soltis说：“我们在历史上看到裸子植物不仅在继续减少，而且在物种数量上实际上也在多样化，这使得它们的进化史更具活力。”

虽然一些裸子植物无法应对气候变化和竞争的双重幽灵，但其他裸子植物在某些栖息地具有优势，因为正是这些特征导致它们在与开花植物的古代竞争中败北。松树、云杉、冷杉和杜松树等群体有了新的开始。

Pamela Soltis说：“在某些方面，裸子植物可能没有那么灵活。它们必须‘等待’，直到气候变得更有利，才能实现多样化。”

在某些环境中，裸子植物适应极端环境。在北美洲东南部的松林中，长叶松适应了频繁的火灾，这些火灾将它们的竞争烧成灰烬，而针叶树则主宰着遥远北方的北方森林。但是如果把火或寒冷带走，开花植物很快就会开始入侵。

尽管裸子植物仍处于多样化的过程中，但它们已经被人为环境变化所打断。目前，由于气候变化和栖息地丧失的累积压力，超过40%的裸子植物面临灭绝的威胁。未来的研究阐明了它们的基本基因是如何使它们能够坚持到现在的，这可能会给科学家们提供一个更好的框架，以确保它们能够在未来很好地生存下去。

Stull说：“尽管在过去的2000万年中，一些针叶树和苏铁群落已经发生了相当大的变化，但许多物种的分布非常有限，面临灭绝的危险。”减少栖息地损失的努力可能对保护目前面临灭绝威胁的许多物种至关重要。”

原文检索：10.1038/s41477-021-00964-4