最早的種子植物出現(xiàn)在3.6億年前的泥盆紀(jì)，然而直到數(shù)千萬年之后的石炭紀(jì)末期，種子植物才開始崛起，并逐漸在二疊紀(jì)末期取代蕨類植物成為地球的霸主，地球也因此進(jìn)入中生代，也就是傳說中的“恐龍時代”。然而，種子植物為什么會在古生代晚期開始崛起仍然是一個未解之謎。

近日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心與湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院合作，首次從特化細(xì)胞壁進(jìn)化的角度揭示了種子植物崛起的奧秘，這一成果近日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·植物》發(fā)表。

根系是植物吸收和運(yùn)輸水分及礦質(zhì)營養(yǎng)的關(guān)鍵器官，在植物的演化過程中扮演重要作用。早在種子植物形成之前，根就在石松植物、蕨類植物和種子植物的共同祖先中出現(xiàn)了，但其結(jié)構(gòu)和功能一直處于不斷進(jìn)化之中?？蒲袌F(tuán)隊利用18個不同進(jìn)化節(jié)點(diǎn)中的代表性植物物種，系統(tǒng)地開展了根系內(nèi)皮層凱氏帶和木栓質(zhì)片層起源的研究。

凱氏帶和木栓質(zhì)片層都是植物的內(nèi)皮膚，可以防止?fàn)I養(yǎng)和水分的散失以及有害物質(zhì)的侵害。其中凱氏帶是封閉細(xì)胞間隙的，相當(dāng)于瓷磚之間的“美縫劑”，由于植物有細(xì)胞壁，間隙較大，因而需要“美縫劑”來填充。而木栓質(zhì)片層是覆蓋在細(xì)胞上的，就像人類的皮膚一樣，兩者合作共同維護(hù)植物體內(nèi)的水分和營養(yǎng)環(huán)境。

研究發(fā)現(xiàn)，凱氏帶存在于包括石松類、蕨類、裸子植物以及被子植物在內(nèi)的所有維管植物中，而木栓質(zhì)片層則僅存在于包括了裸子植物和被子植物在內(nèi)的種子植物中。這些證據(jù)表明凱氏帶起源于所有維管植物的共同祖先，而木栓質(zhì)片層則在更晚的種子植物共同祖先中才被進(jìn)化出來。這一結(jié)果推翻了植物學(xué)界長期以來木栓質(zhì)片層和凱氏帶共同起源的觀點(diǎn)，為研究木栓質(zhì)片層的進(jìn)化提供了新的視界。

木栓質(zhì)片層提高了植物在干旱情況下的水分運(yùn)輸效率和耐旱性

經(jīng)過研究，科研團(tuán)隊提出了一個全新的種子植物崛起模型：石炭紀(jì)濕潤的氣候下，沒有木栓質(zhì)片層的蕨類植物水分和營養(yǎng)吸收效率更高，更能適應(yīng)當(dāng)時的環(huán)境，因此更為繁榮；而在石炭紀(jì)晚期開始的干旱氣候下，進(jìn)化出了木栓質(zhì)片層的種子植物具備了更高效的水分運(yùn)輸效率，干旱適應(yīng)能力更強(qiáng)，從而能夠逐漸取代蕨類植物，成為地球的霸主。

該研究不僅揭示了凱氏帶和木栓質(zhì)片層的起源之謎，并且從一個嶄新的角度首次證實了木栓質(zhì)片層的出現(xiàn)成為促進(jìn)種子植物的崛起驅(qū)動力。此外，研究發(fā)現(xiàn)了木栓質(zhì)片層在植物應(yīng)對干旱等逆境脅迫中發(fā)揮的重要作用，對提高植物的抗旱性、解析植物耐鹽耐旱機(jī)制以及研發(fā)抗旱新品種等方面具有重要意義。