我們身邊有形形色色的植物，其中絕大多數屬于能夠開花結果的種子植物。據估計，目前世界上的植物種類高達30多萬種，其中2/3屬于種子植物。最早的種子植物出現在3.6億年前的泥盆紀，然而直到數千萬年之后的石炭紀末期，種子植物才開始崛起，并逐漸在二疊紀末期取代蕨類植物成為地球的霸主，地球也因此進入中生代。然而，種子植物為什么會在古生代晚期開始崛起？至今，這仍是未解之謎。6日，國際學術期刊《自然·植物》在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心晁代印研究組聯合湖北大學生命科學學院呂世友研究組合作完成的一項研究，該研究首次從特化細胞壁進化的角度揭示種子植物崛起的奧秘。
根系是植物吸收和運輸水分及礦質營養的關鍵器官，在植物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了，但其結構和功能一直處于進化之中。合作課題組利用18個不同進化節點中的代表性植物物種，系統開展根系內皮層凱氏帶和木栓質片層起源的研究。該研究發現，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的所有維管植物，而木栓質片層僅存在于包括裸子植物和被子植物在內的種子植物中。這些證據表明，凱氏帶起源于所有維管植物的共同祖先，而木栓質片層則在更晚的種子植物共同祖先中才被進化出來。這一結果推翻了植物學界長期以來關于木栓質片層和凱氏帶共同起源的觀點，為研究木栓質片層的進化提供了新視角。
該研究的分子進化分析發現，大部分木栓質形成相關基因在種子植物的共同祖先中出現了大規模擴張，導致了基因功能的創新，使得原本沒有木栓質合成能力的基因獲得了合成木栓質的功能。研究者利用木栓質缺失的遺傳材料，發現缺失了木栓質的擬南芥對于干旱更為敏感，并隨后揭示木栓質片層對于植物維管水分的運輸效率具有極其重要意義。而與此結果一致的是，地質學家早就發現種子植物崛起、蕨類植物衰落的古生代末期，正是地球從濕潤轉入干旱的時期。
據此，研究者們提出了一個全新的種子植物崛起模型：石炭紀濕潤的氣候下沒有木栓質片層的蕨類植物水分和營養吸收效率更高，更能適應當時的環境，因此更為繁榮；而在石炭紀晚期開始的干旱氣候下，進化出了木栓質片層的種子植物具備了更高效的水分運輸效率，具有了更強的干旱適應能力，從而能夠逐漸取代蕨類植物，成為地球表面的霸主。
該研究不僅揭示了凱氏帶和木栓質的起源之謎，并且從一個嶄新的角度首次證實，木栓質的出現是促進種子植物崛起的驅動力。此外，研究發現了木栓質片層在植物應對干旱等逆境脅迫中發揮的重要作用，對提高植物的抗旱性、解析植物耐鹽耐旱機制以及研發抗旱新品種等具有重要價值。（記者顏維琦）