【小学作文树的好处】3亿年的兴衰：以“树”诞生的神秘

三亿年前的一天，两只恐龙在丛林中漫步。他们悠闲地吃着高高的蕨菜叶子，很满足。沧海桑田，恐龙已经灭绝，蕨菜坚强地活着，被称为植物界的“活化石”。

最近，《自然—植物》以封面文章的形式发表了蕨菜的高质量基因组。这项研究填补了蕨菜植物基因组的空缺，为植物进化提供了重要依据。

这项研究由中国林业科学研究院(以下简称林科院)森林遗传育种国家重点实验室研究员李传兹团队，中国农业科学院深圳农业基因组研究所、中国医学科学院药物研究所、美国康奈尔大学等16个机构的32名科学家完成。

超过3亿年的蕨菜现在正濒临灭绝

蕨类植物有11500多种，是仅次于被子植物的第二大冠植物群。

论文共同通讯作家李传子在接受《中国科学报》采访时说，蕨菜中是一个非常特殊的分类群，其中几科植物有树干，被称为树蕨，别名蛇颈草，是唯一可以长成大树的木本蕨类植物，有“蕨菜之王”的美誉。(威廉莎士比亚、蕨菜、蕨菜、蕨菜、蕨菜、蕨菜、蕨菜、蕨菜、蕨菜、蕨菜)树蕨在中生代侏罗纪恐龙生活的时期繁盛起来，是与恐龙同时代的古老“活化石”植物，经过数亿年的变迁，经历了两次集体减持，现在已经濒临灭绝的国家二级保护植物。

"目前蕨菜的种类和数量不多，有600多种."李泉子说，蕨类植物主要分布在热带和亚热带地区，包括中国、澳大利亚、新西兰和东南亚国家。

研究表明，地球上的植物经历了从水生到陆地、从单细胞到多细胞、从简单到复杂的漫长进化过程。4.7亿年前鸟类登陆后，苔藓植物、石松类植物、蕨类植物、裸子植物、被子植物逐渐形成，形成了多种植物群。

论文共同第一作者，林科院林业研究所正在读博士黄雄。"关岛是地球上唯一存活到现在的蕨类植物."3亿年前的石炭纪和二叠纪时代，地球上有很多芦苇、封条木等木本蕨类植物，但都灭绝了。(大卫亚设)。

侏罗纪时代最繁盛的动物恐龙也灭绝了，但与恐龙同时代蓬勃发展的蹼在恶劣的环境下生存到现在，令人无法接受。(威廉莎士比亚、《哈姆雷特》、《动物名言》)“对这种濒危物种的研究有助于提高对地球地质事件、生物进化和生态进化的认识，对认识地球植物群的多样性和保护自然生态环境具有重要意义，对地球自然气候变化和生物多样性的研究水平也会提高。”李全子说。

但是，由于蕨菜植物通过孢子繁殖，对水的依赖性很强，许多活到现在的蕨菜植物面临着比种子植物更大的灭绝危险。(威廉莎士比亚、蕨菜、蕨菜、蕨菜、蕨菜、蕨菜、蕨菜)同时，蕨菜的生长繁殖对环境要求很高，温暖潮湿，对干旱和寒冷感到厌烦，孢子繁殖效率低下。

李传志认为，对蕨菜植物基因组的解毒和发育过程、蕨菜等蕨菜植物的生长习性(包括孢子繁殖过程)和外界不良环境反应机制进行深入研究，将有效地促进繁殖和保护。

以前几乎没有蕨菜植物基因组解码，只有满江红、槐叶萍等少数蕨菜植物的基因组被组装。“这主要是因为蕨菜植物的基因组普遍很大，重复序列多，杂合度高，平均大小达几十千兆字节。(威廉莎士比亚、蕨菜、蕨菜、蕨菜、蕨菜、蕨菜、蕨菜)目前基因组中最大的蕨菜被称为松叶蕨菜，其大小为142Gb。这给基因组测序和组装带来了巨大的挑战。测序不仅成本高，组装也很困难。”论文共同第一作者，中国农业科学院深圳农业基因组研究所正在读硕士生王文玲。

“很多种子植物的基因组被破译，大大促进了对种子植物重要特性的研究。对低等植物的认识很少，对植物如何从低等植物进化为高等植物的理解还不够。”李全子说。

揭开蕨菜茎的奥秘

在进化史上，石松和蕨类植物开始分化的胃管系统大大提高了水分、无机盐和营养物质的运输功能和效率，促进了植物茎的形成，起到了支撑茎的作用，促进了陆地植物生态系统的发展。

植物的血管组织主要由二级壁的厚细胞组成，包括从被子植物中输送水分的导管和支撑茎的纤维、裸植物的管胞(输送水分和支撑茎的功能)等。

"蕨菜有树的茎，对其的研究将有助于了解蕨菜植物是如何进化形成树的性质的。"李全子说。

该研究以PacBio和Illumina测序为基础，组装了6.2Gb大小的基因组，并利用Hi-C数据在69条染色体上安装。这是目前蕨菜植物中第一个染色体水平的基因组。

在高质量基因组的基础上，研究人员共注释了67831个高可靠性的蛋白质编码基因，分析了木质部特殊表达的基因，揭示了分子水平上蕨菜中木质素含量高的原因。

黄雄首先对“茎”中构成冠的木质部、韧皮部、厚壁细胞带分别进行显微观察、木质素含量测定和结构分析，结果表明木质部的大部分细胞都是冠胞，是致密的。另外，管胞的细胞壁具有梯状花纹加厚的特点。(威廉莎士比亚、泰普、细胞壁、细胞壁、细胞壁、细胞壁、细胞壁、细胞壁)在管状细胞壁增厚的次生壁部分堆积了大量的木素，增加了细胞壁的机械强度。

“这些二次壁变厚的管胞具有支撑树干的功能，可以看作是蕨类植物进化成蕨类植物的突出象征。”李全子说。

同时，木质素在细胞壁上形成“疏水性”界面，促进水分从茎沿管胞通道向上运输。木质部的木牛含量高表明，蕨菜管胞的运输和支持功能主要由木牛含量决定。

其次，他们分析了木质部中特殊表达的基因。

此前的研究表明，植物特有的NAC转录因子是调节细胞次生壁强化的关键因素，其中VND家族成员调节被子植物导管和裸植物管胞的发育。

黄雄介绍说，两个VND基因在木质部的表达明显上升，可能是加强关浦次生壁的重要调节因子。对手2

种水蕨，桫椤中木质素生物合成途径相关的家族成员明显扩张，在木质部和孢子囊堆中表达的家族成员较多。这从分子水平上揭示了树蕨中木质素含量高的原因。

探究桫椤药理作用的分子机理

论文共同通讯作者、中国医学科学院教授朱平介绍，树蕨的茎干又称为“龙骨风”，有较好的药用价值。“研究树蕨的生长发育及次生代谢物质的合成，对于其进化规律的认识、药理应用及保护都具有重要意义。”

然而，树蕨生长速度缓慢，100年才长高几米。多种原因导致桫椤在自然界中存活数量有限。“在这样的情况下，虽然桫椤具有良好的中医药理作用，但一直未将其列入中医药典。”朱平说。

“对桫椤这一树蕨植物生长习性和繁殖过程的研究和认识，使未来以人工途径辅助和促进其繁殖成为可能，还可以实现繁殖增速。”李全梓说。

“桫椤中的次生代谢物质非常丰富，我们对纯化得到的11个物质进行了结构解析，其中一个新物质具有较好的抗氧化活性。”论文共同第一作者、中国医学科学院药物研究所副研究员巩婷说，该物质由牛奶树碱和白皮杉醇聚合而成。研究鉴定了牛奶树碱和白皮杉醇合成及聚合的候选基因，并最终构建了在桫椤木质部中以苯丙氨酸为起始的合成木质素、黄酮和聚酮类化合物的代谢途径。

“还有大量的次生代谢物质等待鉴定，这些物质具有的药理活性也亟待研究。”朱平说。

“桫椤是唯一已经发现的木本蕨类植物，在植物进化史上，更是现存植物中最早具有树的性状的古生代植物。对桫椤的研究将有助于深入了解地球生命几十亿年史诗般的演化历程、运用生物学思维来提高对生命的认知和理解，也将填补地球生命和植物进化过程研究的空白。”李全梓说。（记者 李晨）

来源： 中国科学报