地球是植物的星球——這一切都可以追溯到一個綠色的細胞。世界上茂盛的光合作用生物——從高聳的紅杉到無處不在的矽藻——它們的生存都歸功於遠古時代的一種微小的藻類,它吞噬了一種藍藻,並將其變成了一個內部太陽能發電廠。
透過研究眼蟲藻的基因——眼蟲藻是一組僅有13種獨特的微觀淡水藍綠藻之一,有時被稱為“活化石”——由羅格斯大學分子生物科學家達納·普萊斯領導的一個國際科學家聯盟闡明瞭植物的進化史。眼蟲藻Cyanophora paradoxa仍然保留著比大多數其他植物更原始的、馴化程度較低的原始藍藻。
根據對C. paradoxa約7000萬鹼基對的基因組的分析,這種捕獲一定只發生過一次,因為大多數現代植物都共享使光合作用生物與較大的宿主細胞合併成為可能的基因。這種結合不僅需要原始宿主和以前自由遊走的光合作用生物的合作,顯然還需要來自一種細菌寄生蟲的合作。類似衣原體的細胞,例如軍團菌(包括引起退伍軍人症的物種),提供了使食物從馴化的藍藻(現在被稱為質體或葉綠體)輸送到宿主細胞的基因。
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羅格斯大學的生物學家德巴希什·巴塔查里亞解釋說:“這三個實體共同形成了新生細胞器,並且這個過程還得到了來自其他細菌的多次水平基因轉移的幫助。”他的實驗室領導了2月17日在《科學》雜誌上發表的研究工作。“基因招募[可能]在新的生活方式繁榮和大多數植物的硬化細胞壁形成之前就已經在進行中。”
事實上,這種事件的匯合非常罕見,以至於進化生物學家只發現了另一個例子:光合作用變形蟲Paulinella大約在6000萬年前馴化了藍藻。“從進化的角度來看,變形蟲質體仍然是一個‘正在進行中’的工作,”巴塔查里亞指出。“我們現在正在分析來自Paulinella的基因組序列,以獲得關於這些事件如何發生的一些答案。”
阿肯色大學費耶特維爾分校的生物學家弗雷德里克·斯皮格爾(他沒有參與這項工作)指出,這項工作為已故生物學家琳恩·馬古利斯的假設提供了迄今為止最有力的支援,馬古利斯在20世紀60年代首次提出了一種理論,即所有現代植物細胞都源於這種共生結合,儘管當時受到了廣泛的批評。這種觀點表明,所有植物實際上都是嵌合體——由這種祖先結合的基因片段(包括促成結合的寄生細菌)拼湊而成的混合生物。
剩下的問題是,為什麼這種複雜的結合大約發生在16億年前。一種說法是,當地條件可能使藍藻的捕食者停止捕食並開始吸收更有利,因為獵物稀缺而陽光充足。“當食物耗盡但陽光充足時,光合作用可以更好地支援生物體,”巴塔查里亞指出。從這種被迫的結合中,一個極其成功的生物體超級群——植物——應運而生。
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