光是植物發(fā)育最重要的環(huán)境因素之一，不僅為植物提供能量，還作為信號調(diào)控植物的發(fā)展。在漫長的演化歷史中，植物經(jīng)歷了劇烈的環(huán)境變化，包括從深海到淺水區(qū)，從水生環(huán)境到陸地環(huán)境等。植物需要不斷獲得監(jiān)控光信號的能力并對不同的光信號做出響應(yīng)。近日，Molecular Plant 在線發(fā)表了北京大學(xué)鄧興旺/何航團隊題為Origin and evolution of core components responsible for monitoring light environment changes during plant terrestrialization的研究論文，揭示了植物光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)核心組分的起源和演化。

 

植物演化與光信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的起源

 

 該研究利用大規(guī)模已發(fā)表的基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，鑒定了光信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中核心組分的直系同源基因，并重新構(gòu)建了其進化歷史。研究結(jié)果表明，植物需要不斷獲得特定光信號調(diào)控途徑，得以在新光源中獲得更好的適應(yīng)性。（1）由于大氣和水體的吸收，不同的波長的光能到達的深度不一。其中藍光可到達范圍最深，紫外光次之，紅光只能存在于空氣及水面以下幾米的范圍內(nèi)。最早的真核植物代表紅藻門大多生活在藍光為主要光源的深海里，以防止淺水和空氣中的UV-B損傷。綠藻門植物祖先獲得了包含UVR8、HY5、SPA等的信號途徑，使得植物的生活區(qū)域從深海擴張到較淺水域。（2）隨著藻類繼續(xù)向水面擴張，輪藻門植物的祖先獲得了包含PHY、PIFs、EIN3等的紅光信號調(diào)控途徑，使得這部分輪藻植物可以更好適應(yīng)水面環(huán)境。（3）在種子植物中，光信號調(diào)控途徑通常與激素調(diào)控途徑相互作用，該研究以種子出土的調(diào)控途徑為例，發(fā)現(xiàn)輪藻門植物已經(jīng)獲得了包含EIN3、PIFs、EBF1、FHY1等的調(diào)控途徑。綜上，在輪藻門植物中，所有的光受體，所有的COP/DET/FUS核心調(diào)控因子，以及大部分的轉(zhuǎn)錄因子已經(jīng)起源，由此推斷整個光信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在植物登陸之前已經(jīng)起源。

 

該研究還發(fā)現(xiàn)，在植物向陸地的擴展過程中，光信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)核心組分COP1與SPA之間存在明顯的協(xié)同進化現(xiàn)象。該研究首次全面系統(tǒng)地構(gòu)建了植物登錄過程中光信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的演化歷史，為光信號途徑和光形態(tài)建成相關(guān)的研究提供了新的借鑒。

 

鄧興旺教授、何航副研究員和研究生韓雪

 

北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院鄧興旺教授、南京師范大學(xué)鐘伯堅教授和北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院何航副研究員為該論文的通訊作者，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院三年級博士研究生韓雪為第一作者。