研究人員發現植物根進化的分子源頭

2020-08-18 中科院之聲

根是植物登陸後進化的器官，它的出現是植物適應陸地環境的重要一步。化石證據顯示，蕨類植物和種子植物的共同祖先在泥盆紀中期出現了根起源事件。但現有研究對這次根起源過程中的分子進化歷程知之甚少，其中的關鍵問題是生長素信號通路在根進化中如何被招募並主導根器官的發生。近日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心徐麟研究組在Molecular Biology and Evolution上發表題為Molecular evolution of auxin-mediated root initiation in plants的研究論文，以Evo-Devo的角度揭示根起源和進化的分子路線。

研究人員通過研究蕨類植物Ceratopteris richardii（水蕨），發現生長素是控制不定根和側根發生的核心激素；施加生長素可誘導水蕨產生大量不定根；生長素信號通路直接激活CrWOXA的表達以形成根創始細胞（root founder cell），CrWOXA直接激活CrWUL的表達使得根創始細胞分裂為根尖，CrWOXA和CrWUL都是WOX家族的轉錄因子基因。

研究人員在比較種子植物擬南芥後發現，「生長素-WOX」的同源分子通路控制著擬南芥根創始細胞的發育。這一發現在分子層面暗示「生長素-WOX」分子通路可能被蕨類植物和種子植物的共同祖先招募，用於根創始細胞和根器官的起源與進化。隨著植物的進化發展，這一分子通路中的生長素信號轉導基因和WOX基因拷貝數不斷增加，被蕨類植物和種子植物不同類型的根相繼使用，起始不同類型根的發育。

維管植物根的起源和進化存在很多未解之謎。現存的維管植物是早期祖先兩個世系的後代：真葉植物世系（包括蕨類植物和種子植物）和石松植物世系。化石證據顯示，這兩個世系中根器官的起源是獨立事件：石松植物世系在泥盆紀早期出現了第一次根起源事件；真葉植物世系中蕨類植物和種子植物的共同祖先在泥盆紀中期出現了第二次根起源事件。該研究確認了生長素在真葉植物世系中控制根器管發生的保守分子功能，但石松植物世系中根發生的分子機制和生長素行為尚不清晰，這是將來的研究方向。

分子植物卓越中心喻傑和張鬱芸為論文並列第一作者，徐麟為論文通訊作者。該研究由分子植物卓越中心徐麟研究組和張一婧研究組合作完成。研究得到中科院、國家自然科學基金委員會和植物分子遺傳國家重點實驗室項目的支持。

圖1.對水蕨施加生長素後的效果對照圖

圖2.維管植物與真葉植物、石松植物的關係

來源：中國科學院分子植物科學卓越創新中心

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