科学家提出根演化的分子基础假说

2018 年 5 月 3 日 中国生物技术网 上海生科院

近日，Trends in Plant Science 杂志在线发表了中国科学院分子植物卓越创新中心/植物生理生态研究所徐麟研究组题为Recruitment of IC-WOXgenes in root evolution 的观点论文，提出根器官起源的分子基础假说。根器官的出现是维管植物演化史上的重要一步，它帮助植物固定在土地上，吸收水分和营养物质，让植物能更好地适应陆生环境。

现存维管植物是远古祖先两个世系的后代：石松世系（lycophyte lineage，包括石松、卷柏等植物）和真叶世系（euphyllophyte lineage，包括蕨类植物和种子植物）。通过化石研究和现存植物形态学的推断，维管植物进化史上至少有三次相对独立的根起源事件发展出现存植物多种类型的根器官：在早泥盆纪，石松世系率先起源了根（第一次根起源事件），并发展成为现存石松类植物的二歧根（bifurcating roots）；在中泥盆纪，真叶世系也独立起源了根（第二次根起源事件），发展为现存真叶植物的不定根和侧根（adventitious roots and lateral roots）；真叶世系在演化出种子植物时，又进行了一次根起源（第三次根起源事件），发展出现存种子植物的主根（primary roots）。

最近一系列对IC-WOX基因（intermediate-clade WOX genes）的研究结果暗示，IC-WOX基因的演化与根的第二和第三次起源同步发生，可能是真叶世系中根起源的重要分子机制。IC-WOX基因是维管植物特有的基因，它们在石松世系和真叶世系分开之前的共同祖先中就已出现。在石松世系的现存植物小翠云（Selaginellakraussiana）中，IC-WOX基因并不特异表达在根发育进程中，因此石松世系可能并不利用IC-WOX基因特异参与二歧根发育。在真叶世系的现存蕨类植物水蕨（Ceratopterisrichardii）中，IC-WOX基因特异表达在不定根和侧根的根创始细胞（root founder cell）中，起始根的发育。在真叶世系的现存种子植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）中，IC-WOX基因发展成了两个进化亚枝：IC-WOX11/12亚枝特异表达在不定根创始细胞中，起始不定根的发育；IC-WOX8/9亚枝特异表达在胚胎的主根创始细胞中，起始主根的发育。

据此提出的假说认为，真叶世系的共同祖先将IC-WOX基因招募到根创始细胞中用于起始不定根和侧根；种子植物出现后，IC-WOX基因演化出两个亚枝，一个亚枝的功能保留在不定根创始细胞中，另一亚枝被招募到主根创始细胞中发挥功能。

该研究得到了国家自然科学基金委、科技部和中科院项目的资助。

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