为了避免沉重的代价，植物在进化中努力将固氮功能丢弃了

正如其他的生物一样，植物也需要氮元素来合成氨基酸以及各种必需的生物大分子。尽管氮是空气中最丰富的元素，但氮分子却是相当不活跃的。为了使其能为植物所用，这些氮元素必须被“固定”，或者从分子中脱离出来与氢结合形成氨，之后植物才能通过各种氨反应利用氮元素。

 

然而植物本身是无法固氮的，如此一来，这一重任就落到了细菌头上。

 

一些豆科及其它类植物与特定的细菌群存在共生关系。这些植物在其根部形成特化的根瘤结构，以容纳和滋养细菌；反过来，细菌可以为植物固定氮元素，保证其有充足的氨供给。然而，仅有 10 种植物科中的一小部分植物属可以利用这种方式固氮。因此自从 1888 年这种“共生关系”被发现以后，植物遗传学家们便开始思考：为什么在稳定的氮供给诱惑面前，有些植物没有选择固氮呢？

一个全球性的遗传学家联合组织对 37 种植物的基因组进行了测序比对，包括共生关系存在与否、是否形成根瘤、是否与农业相关等，并试图找出其中缘由，相关分析结果发表在了《Science》上。

 

对于植物-细菌共生关系的存在与否，专家们考虑了三种可能因素：

（1）其祖先经历了某种易感事件，从而进化出共生关系；

（2）共生关系独立进化了多次；

（3）共生关系也独立丧失多次。

 

他们猜想，所有结瘤种都含有可以发生易感事件的基因，而且仅存于这些含瘤种及其进化枝中（进化枝即祖先分枝和所有子代分枝）。然而事实上研究人员并没有找到符合标准的基因，由此推断：如果真的有这样的易感事件发生，应该是通过改变现有基因完成的，而不是创造新基因。

 

于是他们在共生植物中搜寻特定基因的同族基因，因为通过这种方式，一个性状可以多次进化。然而这样的基因也没有被发现。

 

为了确认那些主导共生的基因是否遗失，他们开始寻找另一类基因，这类基因只存在于含瘤植物和其进化枝以外的植物中，而不存在于大多数同进化枝却不含瘤的植物中。事实上共生基因遗失是很奇怪的，因为固氮对这些植物的存活来说至关重要。这类基因若被发现存在，则说明非含瘤植物的祖先曾经有过共生基因，但在进化过程中丧失了。

 

而这一次大家终于如愿以偿地发现了一个基因，以其启动成瘤（Nodule Inception）的功能命名为 NIN。那些非含瘤的物种与其含瘤近亲一样，具有与 NIN 类似的基因，但 8 次进化丢弃事件让这些 NIN 基因丧失了功能。还有另一个同样为容纳共生菌所必须的基因，也是通过这种方式丢失了。

 

“使用或丢弃”这一模式对基因同样适用，甚至更为普遍。在生命进程中，如果一些基因表达的性状被弃用或变得不那么重要，他们就会渐渐被遗失。大多数情况下，地球的植物氮源往往受限，因此共生关系得到推崇；然而 NIN 基因竟被抛弃了至少 8 次，说明固氮对植物来说消耗的能量代价太大：也许容纳供给一群细菌并不是那么物有所值；又或者一些非固氮细菌鸠占鹊巢住进了根瘤里。

 

现在合成生物学家正在研究如何将固氮功能与农作物整合在一起。这的确是个很有价值的目标，不仅有希望减少氮肥生产引起的化石燃料消耗，还能避免化肥流入水源引起的污染。然而他们应该注意一点——尽管人类自己在不断努力给植物开启固氮技能，可植物们自己在进化史上可是好不容易才这把一功能扔掉的。

-End-

 

编辑：陈舒琪

参考：

https://arstechnica.com/science/2018/05/plants-repeatedly-got-rid-of-their-ability-to-obtain-their-own-nitrogen/