跨越 6 亿年！探寻藻类与陆地植物应对环境胁迫的基因奥秘及进化密码

为解决陆地植物早期适应环境胁迫机制不明的问题，研究人员开展了藻类与陆地植物应激反应研究。他们发现相关基因调控网络，揭示古老信号汇聚点。该成果有助于理解植物进化，为后续研究提供新思路，值得科研读者一读。

　　

在地球的漫长演化历程中，植物的出现堪称一场伟大的变革。如今，地球表面绿意盎然，陆地植物（embryophytes）的身影随处可见，从高山到平原，从森林到沙漠边缘，它们以顽强的生命力适应着各种环境。这些陆地植物和轮藻门藻类（streptophyte algae）同属于轮藻总门（streptophytes）。经过深入的系统发育基因组分析，科学家们发现，双星藻纲（Zygnematophyceae）的藻类是陆地植物最近的近亲。通过比较基因组学研究，人们已经找出了轮藻门藻类和陆地植物之间一些关键性状的共享基因目录。

然而，一个有趣的问题摆在了科学家们面前：这些基因在陆地植物征服陆地的过程中，究竟是如何发挥功能优势的呢？要知道，陆地环境和水生环境截然不同，最早的陆地植物面临着诸多严峻挑战。陆地环境中的非生物胁迫（abiotic stress）具有独特的动态性，温度、光照和水分等条件变化迅速且剧烈，例如，白天阳光强烈时温度升高，夜晚则可能迅速降温，水分也可能时有时无。而水生环境相对稳定，这使得陆地植物在适应陆地环境时，需要发展出一套独特的应对机制。

为了解开这些谜团，来自相关研究机构的科研人员展开了深入研究，并在《Nature Communications》上发表了题为 “Time-resolved oxidative signal convergence across the algae–embryophyte divide” 的论文。研究人员通过一系列实验，得出了许多重要结论。他们发现，不同的陆地植物和藻类在应对环境胁迫时，虽然反应的动力学有所不同，但整体上存在一些保守的生理变化模式。同时，他们还预测出了一个基因调控网络，这个网络追溯到了古老的信号汇聚点，揭示了乙烯信号通路、渗透传感器以及主要激酶链在其中的重要作用，这些激酶在植物登陆之前就已经能够整合多种环境输入信号。这些结论对于我们理解植物的进化和适应机制具有重要意义，为后续的植物学研究提供了新的方向和思路。

为了开展这项研究，科研人员运用了多种关键技术方法。他们通过时间进程胁迫分析，对不同胁迫处理下的植物进行动态监测；利用转录组学技术，对 2.7Tbp 的数据进行分析，探究基因表达的变化；采用代谢物分析技术，研究代谢物的变化情况；还通过共表达分析和格兰杰因果推断（Granger causal inference），预测基因调控网络。这些技术方法相互配合，为研究提供了全面而深入的数据支持。

下面让我们详细看看研究人员都有哪些重要发现：

1. 跨越 6 亿年的轮藻总门胁迫动力学比较框架

研究人员选取了三种已经完成基因组测序的轮藻总门生物，分别是丝状绿藻（Zygnema circumcarinatum）、单细胞绿藻（Mesotaenium endlicherianum）和苔藓植物（Physcomitrium patens）。这三种生物在进化上已经分歧了 6 亿年，就像是三个来自不同 “植物家族分支” 的代表。研究人员在相似的生长条件下培养它们，然后给它们施加一系列的 “压力测试”，包括高光胁迫（HL）、恢复阶段、低温和高温处理，并且每个实验都进行了三次生物学重复，以确保实验结果的可靠性。

在实验过程中，研究人员使用脉冲幅度调制（PAM）荧光法测量它们的相对光合产量（Fq’/Fm’），这就像是给植物的光合作用 “拍照片”，记录下它们在不同压力下的 “健康状况”。结果发现，三种生物在受到胁迫时的反应既有相似之处，又有细微的差别。高光胁迫对 Fq’/Fm’的影响最为迅速，就像一阵突如其来的风暴，让植物的光合作用瞬间受到冲击。Me和Pp在高光胁迫后能够逐渐恢复，而Zc虽然也能恢复，但过程相对滞后。此外，Zc和Me在受到胁迫时还出现了形态学上的改变，比如叶绿体形状变化、脂质滴积累等，就像是植物在压力下改变了自己的 “外貌”。

2. 全球转录组学揭示不同的时间进程动态

为了探究这些生理变化背后的遗传机制，研究人员进行了全球基因表达分析。他们就像勤劳的 “基因侦探”，从 29 种不同条件下的生物样本中收集 RNA，生成了 RNA 测序数据，总共涉及 270 个生物样本。这些数据经过质量过滤和基因组映射后，进行了主成分分析（PCA）。

PCA 分析结果显示，压力处理和对照条件之间存在明显的分离，就像两个不同的 “阵营”。在所有三种轮藻总门生物中，热胁迫导致的基因表达变化最为迅速，紧接着是高光胁迫对两种藻类的影响。进一步的差异基因表达分析发现，Me对环境变化的反应最为迅速，而Zc的反应则相对延迟，这可能与Zc能够形成高度抗逆的藻垫，适应极端环境的特性有关。此外，研究还发现，光质信号传导、对活性氧（ROS）的反应以及光合作用相关过程在基因表达变化中较为突出，这些过程就像是植物应对压力的 “核心武器”。

3. Mesotaenium中的叶黄素循环和类胡萝卜素裂解最为活跃

在压力环境下，植物体内的类胡萝卜素（carotenoid）会发生变化，并通过氧化裂解产生类胡萝卜素信号（apocarotenoid signals），这就像是植物内部的 “信号兵”，传递着压力信息。研究人员采用 RP-C₃₀-HPLC-UV-Vis 和 HS-SPME-GC-MS 等技术，分析了类胡萝卜素和叶绿素的含量，同时研究了相关基因的转录水平。

结果发现，Me的色素池最为活跃，尤其是叶黄素循环相关指标变化明显。在高光胁迫下，Me中的 β- 胡萝卜素与类胡萝卜素的比例变化显著。而且，类胡萝卜素的变化与相关基因转录水平之间没有直接的相关性，这是因为类胡萝卜素还可以通过非酶促裂解形成，就像一条隐藏在植物体内的 “秘密通道”。

4. 生物程序与环境触发因素和色素谱相关

每种生物在面对环境信号时，都会通过改变数千个基因的表达来做出反应。研究人员通过对基因进行聚类分析，将它们按照表达模式分成不同的 “小组”，然后研究这些 “小组” 与环境因素和类胡萝卜素水平之间的关系。

他们发现，一些基因簇与温度、光照强度等环境因素存在明显的相关性。例如，Me中的某些基因簇与温度呈负相关，并且与叶绿体生理相关；而Zc的基因簇与环境因素的相关性相对较弱，这可能还是与Zc的特殊生理特性有关。此外，研究还发现了一些与类胡萝卜素信号相关的基因簇，比如Pppink 和Meblack 与类胡萝卜素信号的相关性较强，这表明这些基因簇可能在植物对压力的感知和反应中发挥着重要作用。

5. 时间胁迫共表达和基因调控网络的格兰杰因果推断

为了深入了解植物反应的时间进程动态，研究人员使用了 Dirichlet 过程高斯过程混合模型（DPGP）对基因表达进行聚类分析。这个模型就像是一个 “基因分类器”，能够根据基因表达的时间模式将它们分类。结果发现，不同物种之间存在一些相似的基因簇，这些基因簇在功能上与光合作用等过程相关。

研究人员还通过格兰杰因果推断预测了基因调控网络（GRN）。他们发现，预测的 GRN 中存在一些关键的汇聚点，也就是 “枢纽” 基因，这些基因在网络中起着重要的调控作用。例如，OSCA 家族基因编码的蛋白质是对高渗敏感的钙渗透通道，它在网络中与其他基因相互作用，形成了一个复杂的调控网络。

6. 物理反馈

研究人员在预测的 GRN 中发现了一些有趣的物理反馈机制。OSCA 家族基因作为网络中的一个重要节点，与 PDS1-PDS3 网络相互作用，这表明类胡萝卜素的合成与各种氧化应激反应之间存在着紧密的联系。同时，OSCA 枢纽直接影响着一个大型的枯草杆菌蛋白酶（subtilases）基因家族，这些枯草杆菌蛋白酶是已知的生长调节剂，这说明渗透感知和生长程序之间可能存在着反馈调节机制，就像植物内部的一个 “自动调节阀门”。

7. 乙烯程序的汇聚

乙烯信号传导在植物应对压力和光合作用的过程中起着重要作用，它是植物激素信号传导中的一个关键环节。研究人员在预测的 GRN 中发现了乙烯信号传导的多个标志性基因，其中ETHYLENE RESPONSE 1（ETR1）是一个主要的枢纽基因。上游的一些基因，如 Kelch 重复 F-Box 基因家族和 C2H2 锌指转录因子等，对ETR1的调控起着重要作用，这些基因之间的相互作用就像一条精密的 “生产线”，共同调节着乙烯信号的传导。

8. 环境和类胡萝卜素输入在激酶组的枢纽处汇聚

在陆地植物中，激酶网络（kinase network）对调节植物对环境输入的反应起着至关重要的作用。研究人员在预测的 GRN 中发现，激酶是网络中的重要汇聚点，它们接收来自环境和类胡萝卜素等多种信号的输入。例如，Ser/Thr 激酶基因家族在网络中处于核心地位，它们接收来自类胡萝卜素 β-IO 和SUPPRESSOR OF FRIGIDA（SUF4）等信号的调控，同时还与其他重要的调控基因相互作用，形成了一个复杂的调控网络，就像一个繁忙的 “交通枢纽”，协调着植物对各种环境信号的反应。

在这篇论文的结论和讨论部分，研究人员指出，最早的陆地植物之所以能够成功适应陆地环境，很可能依赖于它们对环境条件的感知和反应能力。环境信号通过复杂的网络整合，触发植物的发育可塑性，而类胡萝卜素及其氧化裂解产生的信号在这个过程中起到了关键的连接作用。

类胡萝卜素是光合作用生物中最保守、最古老的氧化应激缓解分子之一。随着植物登陆，环境中的氧化压力增加，可能导致更多的类胡萝卜素裂解，从而产生更多的信号分子，这些信号分子在植物适应陆地环境的过程中发挥了重要作用。同时，研究还发现，植物的遗传网络具有多层次结构，激酶在其中起着关键的信息整合和传递作用，它们将环境输入与基因表达变化联系起来，调节植物的生长和适应过程。

这项研究的意义重大，它通过对三种分歧较大的轮藻总门生物进行比较分析，揭示了植物对环境胁迫反应的古老机制，为我们理解植物的进化历程提供了新的视角。研究结果有助于我们深入了解植物如何感知和应对环境变化，对于未来的农业生产、植物保护等领域具有重要的指导意义，就像为植物学研究领域点亮了一盏明灯，照亮了后续研究的方向。