近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)薛佳宇/Yves Van de Peer團隊圍繞“陸地植物起源與演化（Origin and Diversification of Land Plants）”這一生命演化重大科學(xué)問題，系統(tǒng)開展了多層次、多尺度的研究工作，先后在《Plant Communications》、《Nature Genetics》和《Cell Genomics》發(fā)表系列研究論文，從時間起源、基因組創(chuàng)新到蛋白結(jié)構(gòu)域演化三個層面，構(gòu)建了陸地植物起源與多樣化的完整演化圖景。

從時間維度厘清植物登陸的起源節(jié)點

在2025年9月初發(fā)表于《Plant Communications》的研究論文“Comprehensive sampling from mitochondrial genomes substantiates the Neoproterozoic origin of land plants”中，研究團隊基于覆蓋綠色植物主干譜系的大規(guī)模線粒體基因組數(shù)據(jù)集，重建了陸地植物的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系并對其起源時間進行了系統(tǒng)評估。

研究結(jié)果表明，陸地植物的冠群起源可追溯至新元古代（Neoproterozoic），顯著早于傳統(tǒng)基于有限數(shù)據(jù)推測的時間節(jié)點。該研究通過多種分區(qū)模型和化石校準策略，顯著提高了深時系統(tǒng)發(fā)育和分歧時間估計的穩(wěn)定性，為理解植物登陸與地質(zhì)環(huán)境變化之間的協(xié)同演化提供了關(guān)鍵時間框架。

課題組博士生戶帥雅為第一作者，薛佳宇、Zhen Li和Yves Van de Peer為共同通訊作者。

圖1 基于線粒體基因組的植物系統(tǒng)關(guān)系及分子鐘

從基因組尺度揭示早期陸地植物的創(chuàng)新潛力

隨后參與深圳仙湖植物園主導(dǎo)的研究工作“Bryophytes hold a larger gene family space than vascular plants”（發(fā)表于《Nature Genetics》，薛佳宇為共同一作，Yves Van de Peer為共同通訊作者），通過構(gòu)建苔蘚植物超級泛基因組，系統(tǒng)比較了苔蘚植物與維管植物在基因家族空間上的差異。

研究發(fā)現(xiàn)，盡管苔蘚植物在形態(tài)結(jié)構(gòu)上相對簡單，但其基因家族多樣性顯著高于維管植物。大量譜系特異和物種特異的基因家族廣泛存在于苔蘚植物中，這些基因家族與環(huán)境脅迫響應(yīng)、代謝多樣性和免疫防御等功能密切相關(guān)。該研究顛覆了“形態(tài)復(fù)雜性與基因復(fù)雜性直接正相關(guān)”的傳統(tǒng)認知，揭示了早期陸地植物在基因組層面具備高度創(chuàng)新潛力。

圖2 123個苔蘚新基因組為研究植物登陸提供了寶貴資源

從蛋白結(jié)構(gòu)域?qū)用娼馕鲫懙刂参锒鄻踊瘷C制

在12月底最新發(fā)表于《Cell Genomics》的研究“Evolution of protein domains and protein domain combinations provides insights into the origin and diversification of land plants”中，課題組進一步將研究尺度下探至蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域這一功能模塊層級，系統(tǒng)分析了446個植物基因組中結(jié)構(gòu)域的組成、演化動態(tài)及其與植物多樣化的關(guān)系。

研究結(jié)果表明，植物結(jié)構(gòu)域的演化并非簡單的線性積累過程，而是呈現(xiàn)出“早期關(guān)鍵獲得+長期核心結(jié)構(gòu)域丟失+非核心結(jié)構(gòu)域持續(xù)獲得與結(jié)構(gòu)域重組”的動態(tài)模式。研究發(fā)現(xiàn)，植物登陸前后發(fā)生了三次爆發(fā)性的大量獲得新結(jié)構(gòu)域，其中部分新獲得結(jié)構(gòu)域與陸生相關(guān)器官和結(jié)構(gòu)的形態(tài)發(fā)生密切相關(guān)。此外，結(jié)構(gòu)域組合的持續(xù)擴展和活躍重組顯著提升了蛋白質(zhì)功能多樣性，是推動陸地植物譜系分化和生態(tài)適應(yīng)的重要分子機制。

薛佳宇為第一兼通訊作者，課題組博士生楊程傲為共同第一作者，Zhen Li和Yves Van de Peer為共同通訊作者。

圖3 植物蛋白結(jié)構(gòu)域的演化過程

上述三項研究從起源時間—基因組創(chuàng)新—蛋白功能模塊演化三個層面，形成了一個邏輯遞進、相互支撐的研究體系，系統(tǒng)回答了植物何時登陸、以何種基因組基礎(chǔ)完成登陸、以及如何在登陸后實現(xiàn)持續(xù)多樣化等關(guān)鍵科學(xué)問題。該系列成果不僅深化了對陸地植物起源與演化機制的理解，也為探討生物如何應(yīng)對重大環(huán)境轉(zhuǎn)變、以及植物抗逆性和功能創(chuàng)新的分子基礎(chǔ)提供了重要理論依據(jù)。