哥本哈根大學的研究人員對植物生命如何在我們星球的表面建立起來有了新的認識。他們特別證明了兩個基因對於陸生植物保護自己免受真菌攻擊至關重要–這種防禦機制可以追溯到4.7億年前。這些防禦措施很可能為所有的陸地植物生命鋪平了道路。
大概5億年前，植物從水生藻類進化到能在陸地上生存進而為陸地上的生命奠定了基礎。真菌是使這一戲劇性轉變如此困難的障礙之一。
“據估計，在1億年前，真菌爬過地球表面尋找營養並很可能在從海里衝上來的死海藻中找到了營養。因此，如果你作為一種新的植物，要在陸地上建立自己的地位，而你遇到的第一件事是真菌會吃掉你，於是你需要某種防禦機制，”哥本哈根大學植物和環境科學系的生物學家Mads Eggert Nielsen說道。
根據Mads Eggert Nielsen及其來自植物和環境科學系和巴黎-薩克雷大學的研究同行的說法，這種防禦機制的本質可以縮小到兩個基因，即PEN1和SYP122。它們一起幫助在植物中形成一種塞子從而阻止真菌和類真菌生物的入侵。
“我們發現，如果我們在我們的模式植物羽衣甘藍（擬南芥）中破壞這兩個基因，我們就為病原真菌的滲透打開了大門。我們發現，它們對於形成這種防禦真菌的細胞壁狀塞子至關重要。有趣的是，它似乎是一種普遍的防禦機制，在所有陸生植物中都能找到，”這項研究的論文資深作者Mads Eggert Nielsen說道。該研究已發表在《eLife》上。
發源於4.7億年前的植物
研究小組在肝草中測試了同樣的功能，肝草是地球上最早的陸地植物之一的直接後代。通過在益母草中提取兩個相應的基因並將其插入到羽衣甘藍中，研究人員檢查了他們是否能確定相同的效果。答案是肯定的。
“儘管擬南芥和豬籠草所屬的兩個植物家族在4.5億年前以不同的方向進化，但它們繼續分享遺傳功能，”Mads Eggert Nielsen說道，“我們認為，這個基因家族的出現具有管理這種防禦機制的獨特目的，因此一直是植物在陸地上建立自己的基礎之一。”
植物和真菌之間的共生關係
雖然真菌在植物從海洋藻類階段過渡到陸地植物的過程中構成了障礙，但它們也是一個先決條件。Mads Eggert Nielsen表示，一旦植物能從尋求吃掉它們的真菌的攻擊中倖存下來，它們面臨的下一個問題就是尋找營養物質。
“像磷和氮這樣的溶解營養物質很容易被水生環境中的植物獲取。但在5億年前，我們今天所知道的土壤並不存在，只有岩石。而且束縛在岩石中的營養物質對植物來說是非常難以掌握的。但對真菌來說不是。另一方面，真菌不能生產碳水化合物–這就是為什麼它們要消耗植物。這就是植物和真菌之間的共生關係被認為產生的地方，然後成為這一時期陸地植物生命爆發的基礎。”
在植物中形成的防禦結構既不會殺死植物也不會殺死真菌，它們只是阻止真菌入侵。
Mads Eggert Nielsen說道：“由於真菌只能部分進入植物，我們認為出現了一個臨界點，植物和真菌都有收穫。因此，保持這種關係的現狀是一種優勢。植物馴服真菌來殖民土地的理論不是我們的，但我們正在提供支持這一觀點的飼料。”
可應用於農業
新結果為植物進化史的謎題增加了一個重要的部分。更重要的是，它們可以被用來使農作物對真菌的攻擊具有更強的抵抗力，這是農民的一個主要問題。
“如果所有的植物都以同樣的方式進行自我防禦，那一定意味着能夠引起疾病的微生物–如白粉病、黃鏽病和馬鈴薯黴菌–已經找到了潛入、關閉或逃避其各自宿主植物的防禦的方法。我們想找出它們是如何做到這一點的。然後我們將嘗試把抗病植物的防禦成分轉移到那些發病的植物上從而達到抗病的目的，”Mads Eggert Nielsen說道。
其他事實
長期以來，研究人員推測PEN1和SYP122基因在植物從水生階段的藻類過渡到陸地植物方面發揮了特殊功能，但一直沒有具體證據表明它們是否真的是植物防禦能力的前提條件。
以往的研究表明，通過破壞PEN1基因，植物失去了防禦白粉病真菌的能力。然而當破壞密切相關的基因SYP122時卻什麼也沒有發生。新研究結果表明，這兩個基因共同構成了植物防禦機制的一個重要關鍵。