3億年興衰：桫欏生而為“樹”的奧秘

與恐龍同時代的“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，而樹蕨堅強存活至今，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，填補了樹蕨植物基因組的空缺，為植物進化提供了重要依據(jù)，在樹蕨樹干發(fā)育分子基礎研究方面取得了重要進展。

該項研究由中國林業(yè)科學研究院（以下簡稱林科院）林木遺傳育種國家重點實驗室研究員李全梓團隊聯(lián)合中國農(nóng)科院基因組所、中國醫(yī)學科學院藥物研究所、美國康奈爾大學等16個機構32位科學家聯(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《中國科學報》采訪時說，桫欏目（Cyatheales）是蕨類中一個非常特殊的類群，其中幾個科的植物具有樹狀的莖，被稱為樹蕨，別名蛇木，是能長成大樹的僅存的木本蕨類植物，有著“蕨類植物之王”的美譽。樹蕨在中生代侏羅紀恐龍生活的時期達到繁盛，是恐龍同時代的古老的“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家二級保護植物。

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

科學研究發(fā)現(xiàn)，地球上的植物經(jīng)歷了一個從水生到陸生，從單細胞到多細胞，從簡單到復雜的漫長的進化過程。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，構成了地球上豐富多樣的植物類群。

論文共同第一作者、中國林科院林業(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。”3億年前的石炭紀和二疊紀時期，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。

侏羅紀時代最繁盛的動物恐龍也滅絕了，而與恐龍同時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@一瀕危物種的研究，有助于提高對地球地質(zhì)事件、生物進化和生態(tài)演變的認識，對地球植物類群多樣性的認知和保護自然生態(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?！崩钊髡f。

然而，由于蕨類植物通過孢子繁殖，對水的依賴性較強，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險。并且，樹蕨生長繁殖對環(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。

李全梓認為，通過對蕨類植物基因組的破譯和發(fā)育過程的研究，以及對樹蕨等蕨類植物的生長習性（包括孢子繁殖過程）和對外界不良環(huán)境響應機制的深入研究，將有效促進桫欏的繁殖與保護。

此前，蕨類植物基因組破譯很少，僅有滿江紅、槐葉萍等幾個水蕨植物的基因組被組裝報道?！斑@主要因為蕨類植物的基因組普遍非常之大，重復序列多、雜合度高，平均大小為幾十個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。這為基因組測序和組裝都帶來了巨大的挑戰(zhàn)，不僅測序費用昂貴，而且組裝難度非常大?！?論文共同第一作者、中國農(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，大大促進了人們對種子植物重要性狀的形成機制的研究。而人們對低等植物的認識較少，對植物如何從低等植物到高等植物進化的了解還遠遠不夠?！崩钊髡f。

揭開樹蕨莖干的奧秘

在進化史中，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、無機鹽和營養(yǎng)物質(zhì)的運輸機能和效率，促進了植物莖干的形成，對莖干直立起到了支撐作用，推動了陸地植物生態(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胞構成，包括被子植物中運輸水分的導管和支撐樹干的纖維，以及裸子植物中的管胞（兼具運輸水分和支撐樹干的功能）。

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

該研究基于PacBio和Illumina測序，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染色體水平的基因組。

在高質(zhì)量基因組的基礎上，他們共注釋了67831個高信度的蛋白編碼基因，并分析了在木質(zhì)部特異表達的基因，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，他們首先對桫欏莖干中組成維管束的木質(zhì)部、韌皮部和厚壁細胞帶分別進行了顯微觀察、木質(zhì)素含量的測定和結構解析。

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

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

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

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)控細胞次生壁加厚的關鍵因子，其中VND家族成員調(diào)控被子植物導管和裸子植物管胞的發(fā)育。

黃雄介紹，他們鑒定到2個VND基因在木質(zhì)部中顯著上調(diào)表達，表明其可能是管胞次生壁加厚的重要調(diào)控因子。相對于2種水蕨，桫欏中木質(zhì)素生物合成途徑相關的家族成員明顯擴張，在木質(zhì)部和孢子囊堆中表達的家族成員較多。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理

論文共同通訊作者、中國醫(yī)學科學院教授朱平介紹，樹蕨的莖干又稱為“龍骨風”，有較好的藥用價值，可用于治療風濕和外傷，對人體有清熱解毒止咳、消炎鎮(zhèn)痛、增強免疫力等功效。“研究樹蕨的生長發(fā)育及次生代謝物質(zhì)的合成，對于其進化規(guī)律的認識、藥理應用及保護都具有重要意義?！敝炱秸f。

然而，樹蕨生長速度緩慢，100年才長高幾米。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，但由于生長速度緩慢，而無法將其作為藥材進行充分有效地利用，并一直未列入中醫(yī)藥典?！敝炱秸f。

“通過對桫欏這一樹蕨植物生長習性和繁殖過程的研究和認識，未來以人工途徑來輔助和促進繁殖將成為可能，還可以實現(xiàn)繁殖增速。不僅可避免物種滅絕，實現(xiàn)植物多樣性保護和地球生態(tài)環(huán)境保護，還能夠?qū)⑵渥鳛橹兴幩幉倪M行廣泛研究和使用，在生物醫(yī)藥領域為人類造福?！崩钊髡f。

“桫欏中的次生代謝物質(zhì)非常豐富，我們對純化得到的11個物質(zhì)進行了結構解析，其中一個新物質(zhì)具有較好的抗氧化活性?！闭撐墓餐谝蛔髡摺⒅袊t(yī)學科學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生物進化過程中占有重要位置，對桫欏的研究將有助于深入了解地球生命幾十億年史詩般的演化歷程，運用生物學思維來提高對生命的認知和理解，也將填補地球生命和植物進化過程研究的空白?！崩钊髡f。