從單細胞到多細胞，一次10億年前的進化節點，成為地球上生物演化中最重要的節點之一，從此，生物有了分化根莖葉、進行光合作用、適應環境等能力，也由此拉開了生物進化中最重要的一幕。
近日，中國農業科學院生物技術研究所谷曉峰課題組、張芃芃課題組與國內外科學家合作，獲得了綠色植物界最古老單細胞輪藻的首個基因組，在表觀組和轉錄組研究中取得重大突破。
該研究揭示了植物單細胞到多細胞進化和陸生植物起源的機制，補上了生命進化研究過程中一直缺失的重要節點，對認識整個生命系統起源具有重要的理論和實踐意義。該研究成果在線發表在《尖端科學（Advanced Science）》上。
10億年前的一大步
地球上最早的生命，可以追溯到35億年前，但一直到10億年前，這些生物仍舊處於單細胞狀態，它們的身體只有一個細胞，如果放在今天，是人類肉眼不可見的。這些單細胞生物無法分化出更多的功能性組織，不像植物一樣有根莖葉，更不像動物一樣有眼耳鼻舌。
從單細胞生物到多細胞生物，是生物進化史上的一次大事件，演化成多細胞生物之後，才有了分化根莖葉等不同的功能性組織的可能性，也就有了進化為高等生物的基礎。
因此，「單細胞生物到多細胞生物的演化，被稱為生命進化史上的重要裡程碑，目前學術界一般認為多細胞輪藻具備根莖葉的分化，是陸生植物的祖先。」
然而，單細胞生物如何進化成多細胞生物，科學界一直眾說紛紜，谷曉峰介紹，「由於單細胞輪藻基因組、表觀組等信息的缺失，科研人員一直無法了解從單細胞到多細胞的進化及陸生植物的終極起源機制，極大限制了對陸生植物進化的研究，以及通過比較物種進化對核心基因和表觀調控因子的鑑定。」
此次課題組獲得了目前已知的最古老單細胞輪藻M．viride的基因組、轉錄組和表觀組信息。這成為揭示整個植物起源和進化的關鍵節點，對解釋地球生命進化史以及植物約10億年前的早期分化具有重要意義。
會有第二次生物進化大爆發嗎？
從單細胞到多細胞的變化，大約發生在10億年前，科學家們是如何獲得10億年前的信息呢？
谷曉峰解釋說，「主要從兩個方面，一個是通過化石得到一些生物進化的信息，這是古生物學家所做的事情。另外一個是對現有的單細胞輪藻進行基因分析。M．viride是目前已知最古老的單細胞輪藻，但並不意味著它們滅絕了，事實上，它們仍在地球上生存。因此我們可以對它進行基因分析，得到它的基因信息」。
據介紹，此次研究人員組裝獲得了高質量的M. viride 基因組，該基因組大小為442 Mb，富含重複序列，並發現可能的基因組複製事件。通過比較基因組分析，進一步揭示了單細胞輪藻已經擁有的大量和陸生植物性狀相關的遺傳信息，闡述了光合途徑進化、逆境響應等多種機制。同時，研究發現DNA胞嘧啶甲基化和小RNA等表觀遺傳修飾是低等到高等陸生植物進化過程中保守的基因轉錄調控方式，這對揭示植物生長發育、尤其是響應外界各種脅迫的應答機制意義重大。
這些地球生物古老的祖先，在10億年前已經發生了一次分化，並在此後逐漸進化演變為包括人類在內的陸生生物。那麼在未來，這些尚未分化且一直生存至今的單細胞輪藻，會不會發生第二次分化，成為另外一次生物進化的開端呢？對此，谷曉峰說，「目前看來，可能性不大，這一部分沒有分化的，既然10億年前沒有分化，且一直這樣繁衍了10億年，再一次分化的可能性就不太大。或者說，即便有這種可能，也是一個以億年為單位的漫長過程」。
新京報記者 周懷宗 編輯 穆祥桐 校對 李項玲