一亿年“不进化” 它是怎么做到的？ | 科技最前线

在植物中，有一些被称作“活化石”植物。它们的同类或近亲基本都已灭绝，它们似乎被时间和进化遗忘，在某个角落保持着亿万年前的模样。

目前，人们对“活化石”植物的了解还不够，鲜有在基因组水平上研究“活化石”植物分子进化速率的例子。

随着全基因组测序技术的快速发展，科学家有了更好的研究手段，可以从分子层面了解更多关于“活化石”植物进化的信息。

跨越亿年的“领春木科”

东亚暖温带和亚热带森林是“活化石”植物分布集中地区。“活化石”植物领春木科是东亚特有的标志性被子植物科，栖息在暖温带和亚热带的山地河岸森林中。

化石记录表明，领春木科至少在约5千万~6千万年前的古新世就已出现，并在北半球广泛分布，其起源可追溯至约一亿年前的早白垩纪。

领春木科仅有一属两种，包括中国的领春木（Euptelea pleiosperma）和日本的多蕊领春木（E. polyandra）。我国的领春木被列入《濒危物种国际贸易公约》附录III中。

基因组进化缓慢

领春木科植物的核、叶绿体和线粒体有三套不同来源的基因组。作为形态进化缓慢的“活化石”植物，领春木科的分子进化速率如何？不同基因组的进化速率是否呈现不同的式样？

为了回答这些问题，中国科学院植物研究所首次组装了领春木科染色体水平的高质量核基因组，以及完整的叶绿体基因组和线粒体基因组。

研究人员发现领春木科植物的三套基因组进化速度都比其他被子植物慢得多。这意味着它们的基因组变化非常少，在亿万年尺度几乎可以看作是“停滞不前”。
是什么原因导致领春木科植物进化得如此缓慢呢？

分子进化动力不足

研究结果显示，领春木科三套基因组的系统发育分析都指向一个结果——领春木科是毛茛目最早分化的支系。研究人员进一步研究发现，相对于毛茛目其他类群，领春木科的核基因组保留了更多的古老基因家族，新分化和特有的基因类型很少。

毛茛目植物的共同祖先曾经历过一次古老的全基因组加倍事件，使核基因组加倍，为进化提供了原材料。其他物种的重复基因组在漫长的进化中获得了新结构、新功能和新身份，但领春木科植物却保留了大量结构更完整的重复基因组片段。

也就是说，领春木科的核基因组更为保守，在遗传物质上不具有进化优势。

研究人员还发现，领春木科植物具备很多木本植物的习性。木本植物生命周期长，在相同的时间周期内，其传代次数比草本植物少很多。因此，领春木科植物在基因组中积累的突变较少，使其发生进化的可能性大大减小。

生存环境无压力

环境压力是进化的外在重要驱动力。研究人员进行生态位模拟分析后发现，自上新世中期以来，领春木科植物的潜在地理分布区随气候变化反复波动，但适宜其生存的环境条件始终没有明显改变。

这意味着尽管经历了剧烈的气候变化，领春木科植物通过向适宜的环境迁徙，规避了恶劣环境，进而得以幸存。

正是由于没有直面恶劣的环境，领春木科植物的进化动力不足，甚至长期处于停滞状态。

这样的外在条件促使领春木科植物保持了极低的分子进化速率，让其几乎维持住了一亿年前的模样。

结语

相关研究成果近期在线发表在《科学中国-生命科学》（SCIENCECHINA Life Sciences）上。

通过对领春木科植物的研究，科学家增强了对“活化石”植物如何在大尺度环境中进化适应的理解。相关的分析方法也将用于其他“活化石”植物的分子进化研究，并为保护珍稀濒危植物提供理论指导。