《Nature Plants》：Reconstructing spore evolution recalibrates the timescale of land plant diversification
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陆地植物的起源和演化引发了地球系统的根本变化，并使陆地生命的多样化成为可能。它们的早期演化记录在丰富的孢粉素壁孢子化石中，但由于植物孢子特征的演化尚未得到解决，这些化石难以解释。研究人员采用一套祖先状态估计方法，阐明陆地植物中孢子特征演化的模式。研究发现，祖先
陆地植物的起源和演化引发了地球系统的根本变化，并使陆地生命的多样化成为可能。它们的早期演化记录在丰富的孢粉素壁孢子化石中，但由于植物孢子特征的演化尚未得到解决，这些化石难以解释。研究人员采用一套祖先状态估计方法，阐明陆地植物中孢子特征演化的模式。研究发现，祖先胚胎植物经历了单质体减数分裂，并产生具有三层孢子壁的无包被孢子。研究人员推断，传统上被认为是维管植物特征的三缝孢（在四面体四分体中发育）实际上是由冠群胚胎植物产生的。基于对化石记录的这一重新解释，研究人员重新校准了早期陆地植物演化的分子时间尺度。研究发现，冠群胚胎植物起源于晚奥陶世（457–450 Ma），冠群维管植物（432–428 Ma）和冠群苔藓植物（445–429 Ma）均在早志留世分化。
陆地植物（embryophytes）的起源与早期分化是地球生命史上的关键事件，其出现深刻改变了大气的组成、碳循环、风化速率和土壤形成过程，并为动物与真菌共生体系的建立提供了生态位。然而，关于陆地植物起源的时间长期以来存在巨大争议：基于不同分子钟分析得到的冠群胚胎植物分化时间估计跨度从中元古代（约1040 Ma）到早泥盆世（约407 Ma）。这一巨大差异的根源在于早期陆地植物化石记录的解释存在不确定性，尤其是对分散孢子化石的生物学归属与系统学意义缺乏统一认识。
早期陆地植物的大化石记录零散，但其分散孢子化石相对连续，且最早明确的大化石Cooksonia比最早的孢子记录晚约40百万年（Myr）。孢子化石的保存依赖于孢粉素（sporopollenin）构成的抗降解细胞壁。在传统分类框架中，三缝孢（trilete spores，具三射脊的孢子）被视为维管植物的特征，而永久四分体或二分体形态的隐孢子（cryptospores）则被归于茎群胚胎植物。然而，部分现存苔藓植物也产生三缝孢，这使得传统解释面临挑战。此外，以往对孢子性状演化的理解多基于苔藓植物为并系类群的旧系统发育框架，而现代系统发育研究已普遍支持苔藓植物单系，因此需要在这一新框架下重新评估孢子特征的演化路径。
研究人员在该研究中采用祖先状态估计（ancestral state estimation, ASE）方法，在苔藓植物单系的系统发育框架下重建了陆地植物孢子形态、孢子发生和母体孢子体生活史等27个性状的演化历史，并据此重新解释早期孢子化石记录，建立了新的化石校正点，随后利用松弛分子钟重新估算了早期陆地植物的分化时间。该研究发表于《Nature Plants》。
在方法上，研究人员构建了一个包含27个现存属和11个灭绝植物大化石属的形态特征矩阵，另纳入了12个分散孢子分类单元用于背景参照。现存样本覆盖苔类、藓类、角苔类、石松类、真蕨类、种子植物以及作为外群的链型藻类。ASE分析基于三个时间树：仅含现存类群的时间树、将eophytes（如Partitatheca和Lenticulatheca）置于茎群胚胎植物的时间树，以及将其置于茎群维管植物的时间树。研究者使用了四种方法：最大简约法、等速率（equal-rates, ER）最大似然模型、全速率不同（all-rates-different, ARD）最大似然模型，以及基于贝叶斯马尔可夫链蒙特卡洛的随机特征映射。化石校正方面，以最早的明确三缝孢Ambitisporites avitus（产自沙特阿拉伯Qasim组Qusaiba-1岩心，约449.65 Ma）作为冠群Anydrophyta分化的最小约束；以Dalby灰岩中可能的三缝孢记录和最早的总体维管植物Cooksonia cf. pertoni作为冠群胚胎植物的最大和最小约束；以Cooksonia cf. pertoni和最早的冠群维管植物Zosterophyllum sp.共同约束冠群维管植物的分化。分子钟分析使用已发表的氨基酸序列数据和拓扑，采用PAML软件的近似正态方法进行松弛时钟估算。
研究结果主要包括两部分。
在祖先状态估计方面，研究表明祖先胚胎植物产生裸露的单孢子，该孢子具有三缝萌发口，孢子壁由外孢外壁、内孢外壁和内壁三层构成。三缝孢被推断为总群胚胎植物的共同特征，这意味着传统上用于约束维管植物分化的三缝孢化石实际应归属于更广的胚胎植物分支。单质体减缩分裂被推断为胚胎植物的祖先状态，而非仅局限于苔藓植物。此外，苔藓植物独立获得了持久孢子母细胞壁和周壁；地钱独立失去萌发口并获得单层细胞壁的绒毡层；角苔类在茎系中获得了细胞弹丝。石松类支系中出现了副孢壁和异孢子的起源。这些结果在不同演化模型和系统发育假设下高度一致，尤其关于祖先三缝孢的推断对所有分析条件均稳健。
在化石校正与分子钟分析方面，基于重新解释的化石记录，研究人员建立了新的校正方案。松弛分子钟分析估计冠群胚胎植物起源于晚奥陶世Sandbian–Katian期（457–450 Ma），冠群苔藓植物分化于445–429 Ma，冠群维管植物分化于432–428 Ma。这一估计比此前基于相同分子数据集的研究结果年轻约55 Myr，且精度显著提高。新的时间尺度将分子钟估计与化石记录之间的差异从最多约80 Myr缩小到约19 Myr。此外，冠群维管植物的分化时间与已知最早的Cooksonia化石记录近乎一致，表明该时间尺度与化石证据更加吻合。
在讨论部分，研究者指出其推断的许多孢子性状演化结果与此前研究一致，例如孢粉素沿白线中心片层沉积是胚胎植物的祖征，以及地钱独立丧失萌发口。但最关键的创新在于识别出祖先胚胎植物孢子为三缝单孢子，这改变了三缝孢化石的系统学意义，也意味着此前将隐孢子作为胚胎植物分化约束的做法需要修正。研究者也承认，eophytes的系统位置仍有待更严格的系统发育检验，不同演化模型下个别性状的推断存在差异，而等速率模型在模拟研究中表现较优，因此被用作评估基准。
研究结论部分强调，祖先陆地植物孢子是带三缝标记的裸露单孢子，这一发现对演化模型和系统发育假设均保持稳健。三缝孢的首次出现可作为胚胎植物分支分化的软最大约束。重新校准的分子钟显示陆地植物起源于晚奥陶世457–450 Ma，比此前估计晚约55 Myr。该结果意味着需要重新评估早期陆地植物对地球系统影响的模型，特别是关于晚奥陶世冰川作用与早期植物风化作用之间关系的假设。研究者认为，仍需进一步努力以全面理解最早陆地植物对地球系统演化的影响。
