生命的起源，犹如一部宏大的史诗，始于浩瀚的海洋深处。从原核生命的微弱脉动，到真核生命的璀璨绽放，历经数十亿年的沧桑巨变，终于孕育出能够进行光合作用的真核生物，它们在海洋的怀抱中繁衍生息，为地球披上了翠绿的外衣。然而，这其中最为引人入胜的篇章，无疑是那些远古海洋中的绿藻如何挣脱水的束缚，踏上陆地，进而演化成今日陆地上千姿百态的植物群落。这一谜团，长久以来一直是科学研究的焦点所在。
近日，中国农业科学院基因组所合成生物学中心程时锋团队携手来自德国、加拿大、俄罗斯及深圳华大基因的多位科学家，共同揭开了这一生命演化进程中的重要一页。他们在一项重大科研成果中，揭示了两个最新单细胞绿藻基因组中隐藏的秘密，阐明了这些绿藻与陆地植物共同祖先在距今约5亿年前，如何凭借独特的分子机制成功克服干旱环境，实现了登陆壮举。这一成果已在全球顶尖学术期刊《细胞》上于11月14日在线发表，引发全球科学界的广泛关注。
回溯至约15亿年前，当陆地仍是一片荒芜，海洋却已孕育出能够利用阳光进行光合作用的真核生命。此后数亿年间，原始藻类在海洋中蓬勃生长，构建起丰富多样的生态网络。然而，生命的本能驱使它们不断探索未知，大约在5亿至6亿年前，一场跨越生死鸿沟的冒险悄然上演——海洋中的藻类开始尝试向陆地进军，开启了植物陆地化的伟大历程。
这一过程并非一蹴而就，而是充满了挑战与艰辛。原本依赖海水生存的藻类，需要适应土壤环境，学会从土壤中汲取水分与养分，对抗干燥、强紫外线等严酷条件。在地球历史的长河中，随着潮汐涨落、地质变迁，陆地生态环境逐渐丰富多样，江河湖泊、河床湿地、近海沼泽等地貌相继形成，部分海域由咸转淡，为藻类登陆提供了适宜的过渡地带。在此过程中，藻类与土壤微生物建立了紧密的共生关系，创新出新的营养获取策略。经过数亿年的演化磨砺，这些勇敢的先驱者终于进化为维管植物、裸子植物、被子植物等高级形态，塑造出今天我们所见的五彩斑斓、形态各异的陆生植物世界。
植物陆地化事件对地球生态系统产生了深远影响，它不仅开启了地球表面“绿化”的进程，触发了生物多样性的爆发式增长，更为包括人类在内的高等生物提供了赖以生存的氧气、食物、营养物质及天然药物等宝贵资源。生命在地球上的繁盛，离不开这一里程碑式的转型。
值得注意的是，在漫长的生物演化史中，有多类光合真核生物曾成功克服干旱适应，登上陆地。然而，大量化石证据与分子生物学研究揭示，现存陆地植物的起源皆可追溯至一次单一的登陆事件，即所有陆地植物拥有一个共同的藻类祖先。尽管其他种类的藻类如硅藻、蓝藻等也曾登陆并存续至今，但由于其缺乏进一步向高等形态进化的潜力，它们并非陆地植物的共同祖先。
为了追寻这一神秘的共同祖先，全球植物分类学家和进化生物学家纷纷投身研究，聚焦于那些最简单、最原始的陆地植物，如生活在水陆交界处或湿润环境的藓类、苔类和角苔类植物。它们的生活习性与环境，与亿万年前藻类初次登陆的情景极为相似，为探寻植物陆地化之谜提供了宝贵的线索。
在此基础上，科学家们的目光逐渐汇聚于轮藻目、鞘毛藻目以及形态更为简单的双星藻纲这三个类群。关于哪个类群才是陆地植物共同祖先的争论，一直在科学界激荡不息。
“若不能将正确的物种精准定位在系统发育树上，许多生物学和进化问题将难以得到准确解答。”程时锋教授指出，揭示5亿年前植物祖先陆地化的分子机制，是一项极具挑战却又充满吸引力的任务。
自2015年起，程时锋团队从德国科隆大学藻种中心获取了双星藻纲中的两种样本，并在深圳华大基因进行深入的基因组测序与分析。至2016年底，这两个物种的基因组序列及相关基础数据终于揭开神秘面纱，一部绵延十数亿年的藻类登陆史由此缓缓展开。
通过系统分类与比较进化基因组学的严谨研究，科学家们惊奇地发现，其中一种名为Spirogloea muscicola（暂无中英文译名）的绿藻，竟隶属于一个全新发现的物种，且它处于双星藻纲的基部位置，是目前所知最接近陆地植物共同祖先的物种。
这一结论颠覆了以往的认识：在此之前，人们对陆地植物真正祖先的基因组面貌几乎一无所知。更为惊人的是，双星藻纲的多数物种呈现为单细胞或简单的丝状形态，这解释了为何此前在确定植物共同祖先的问题上，科学界存在诸多分歧——许多学者倾向于选择形态上更接近高等陆地植物的复杂苔藓、轮藻或鞘毛藻作为可能的祖先候选，却忽视了看似不起眼的双星藻纲。如今，这个看似平凡的类群以其低调而坚韧的力量，完成了华丽的逆袭。
进一步的研究揭示，相较于其他绿藻分支，双星藻纲基因组富含与抗逆、抗旱、抗强紫外线等特性相关的转录因子，且与陆地植物共享大量原先被认为仅存在于陆生植物中的核心基因家族，如植物激素调控基因、与细菌/真菌共生相关基因等，其细胞壁结构也与陆地植物更为接近。
这些发现表明，在登陆陆地之前，双星藻纲的祖先基因组已经历了显著的创新与扩张，积累了大量适应陆地生活的关键基因与基因家族，为其成功征服陆地打下了坚实的遗传物质基础。这一研究成果不仅填补了植物陆地化演化史上的一大空白，也为理解生物适应性演化、应对气候变化等现代生物科学问题提供了珍贵的理论依据与启示。
另一项令科学家们倍感惊奇的发现，是在Spirogloea muscicola基因组中检测到的一次显著的近期全基因组三倍化事件。程时锋教授指出：“基因或全基因组倍化是生命从简单走向复杂的重要驱动力之一，但在藻类中这样的现象极为罕见。”团队捕获的这一多倍化信号虽为近期发生，却暗示着Spirogloea这一门类可能一直具备多倍化能力，而这正是其陆地化过程中的一项关键影响因素。然而，关于登陆前是否存在古老的多倍化事件，仍需进一步探究。
通常情况下，基因以垂直方式传承，即由亲代传给子代，而水平基因转移则如同植物基因难以进入动物体内般极其困难。然而，本次研究揭示了一种非凡的现象：两个被测序的双星藻基因组的祖先竟然从土壤细菌那里“窃取”或“借用”了GRAS和PYL这两个至关重要的基因。这两个基因堪称陆地植物祖先适应陆地环境的关键分子信使。其中，GRAS基因家族被誉为植物研究中的“明星”，因其在植物生长、发育及抗逆等诸多重要代谢途径中发挥着广泛作用。GRAS家族中的NSP1、NSP2、RAM1等亚家族更是调控菌根丛生、结瘤共生固氮等植物生理生态过程不可或缺的转录因子。PYL基因则在脱落酸ABA遗传通路中担任重要受体角色。此前，科学界普遍认为这些基因及其功能仅为陆地植物所独有。研究团队首次将这些基因的“根源”追溯至双星藻纲的两个基因组，并证实它们源自一次从土壤细菌发生的水平基因转移事件（HGT）。通过分子系统进化分析，该HGT事件被确定发生在约5.8亿年前，与植物陆地化的化石记录恰好吻合。
HGT事件长期以来备受争议，许多研究认为此类现象仅限于原核生物如细菌之间，从细菌到高等真核生物的HGT事件极为罕见，且因年代久远，往往难以确证。近年来，虽有报道在高等植物中观察到HGT事件，但仍属凤毛麟角。
据推测，这次HGT事件堪称陆地植物祖先在功能与适应性上实现“历史性飞跃”的关键一步，为绿色植物在随后的5亿年中逐步占据地球舞台发挥了至关重要的作用。
程时锋教授幽默地表示：“这说明自然界中的‘转基因’现象，即自发性的遗传工程技术，确实存在。如果有台时光机让我们回到5亿多年前，那将是一次奇妙的体验，甚至可以现场进行一次转基因验证实验。”
然而，生命的演化过程错综复杂，涉及众多相互交织的影响因素。程时锋教授强调：“更重要的是，我们找到了系统比较进化基因组学这一极其有效的基因发现工具。即使利用现有的有限物种和数据，也能帮助我们揭示亿万年前深埋于基因组中的、深度同源或平行演化性状起源的分子规律。从大自然丰富的物种资源中汲取灵感，开展目标功能基因的发现与挖掘，是当今农业育种工作不可忽视的重要步骤。”
