科学家发现对4.7亿年前植物殖民地球至关重要的两个基因

大概5亿年前，植物从水生藻类进化到能在陆地上生存进而为陆地上的生命奠定了基础。真菌是使这一戏剧性转变如此困难的障碍之一。

“据估计，在1亿年前，真菌爬过地球表面寻找营养并很可能在从海里冲上来的死海藻中找到了营养。因此，如果你作为一种新的植物，要在陆地上建立自己的地位，而你遇到的第一件事是真菌会吃掉你，于是你需要某种防御机制，”哥本哈根大学植物和环境科学系的生物学家Mads Eggert Nielsen说道。

根据Mads Eggert Nielsen及其来自植物和环境科学系和巴黎-萨克雷大学的研究同行的说法，这种防御机制的本质可以缩小到两个基因，即PEN1和SYP122。它们一起帮助在植物中形成一种塞子从而阻止真菌和类真菌生物的入侵。

“我们发现，如果我们在我们的模式植物羽衣甘蓝（拟南芥）中破坏这两个基因，我们就为病原真菌的渗透打开了大门。我们发现，它们对于形成这种防御真菌的细胞壁状塞子至关重要。有趣的是，它似乎是一种普遍的防御机制，在所有陆生植物中都能找到，”这项研究的论文资深作者Mads Eggert Nielsen说道。该研究已发表在《eLife》上。

发源于4.7亿年前的植物

研究小组在肝草中测试了同样的功能，肝草是地球上最早的陆地植物之一的直接后代。通过在益母草中提取两个相应的基因并将其插入到羽衣甘蓝中，研究人员检查了他们是否能确定相同的效果。答案是肯定的。

“尽管拟南芥和猪笼草所属的两个植物家族在4.5亿年前以不同的方向进化，但它们继续分享遗传功能，”Mads Eggert Nielsen说道，“我们认为，这个基因家族的出现具有管理这种防御机制的独特目的，因此一直是植物在陆地上建立自己的基础之一。”

植物和真菌之间的共生关系

虽然真菌在植物从海洋藻类阶段过渡到陆地植物的过程中构成了障碍，但它们也是一个先决条件。Mads Eggert Nielsen表示，一旦植物能从寻求吃掉它们的真菌的攻击中幸存下来，它们面临的下一个问题就是寻找营养物质。

“像磷和氮这样的溶解营养物质很容易被水生环境中的植物获取。但在5亿年前，我们今天所知道的土壤并不存在，只有岩石。而且束缚在岩石中的营养物质对植物来说是非常难以掌握的。但对真菌来说不是。另一方面，真菌不能生产碳水化合物--这就是为什么它们要消耗植物。这就是植物和真菌之间的共生关系被认为产生的地方，然后成为这一时期陆地植物生命爆发的基础。”

在植物中形成的防御结构既不会杀死植物也不会杀死真菌，它们只是阻止真菌入侵。

Mads Eggert Nielsen说道：“由于真菌只能部分进入植物，我们认为出现了一个临界点，植物和真菌都有收获。因此，保持这种关系的现状是一种优势。植物驯服真菌来殖民土地的理论不是我们的，但我们正在提供支持这一观点的饲料。”

可应用于农业

新结果为植物进化史的谜题增加了一个重要的部分。更重要的是，它们可以被用来使农作物对真菌的攻击具有更强的抵抗力，这是农民的一个主要问题。

“如果所有的植物都以同样的方式进行自我防御，那一定意味着能够引起疾病的微生物--如白粉病、黄锈病和马铃薯霉菌--已经找到了潜入、关闭或逃避其各自宿主植物的防御的方法。我们想找出它们是如何做到这一点的。然后我们将尝试把抗病植物的防御成分转移到那些发病的植物上从而达到抗病的目的，”Mads Eggert Nielsen说道。

其他事实

长期以来，研究人员推测PEN1和SYP122基因在植物从水生阶段的藻类过渡到陆地植物方面发挥了特殊功能，但一直没有具体证据表明它们是否真的是植物防御能力的前提条件。

以往的研究表明，通过破坏PEN1基因，植物失去了防御白粉病真菌的能力。然而当破坏密切相关的基因SYP122时却什么也没有发生。新研究结果表明，这两个基因共同构成了植物防御机制的一个重要关键。