本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
科學家們在開始探究新色素的家譜之前，就知道它很奇怪。這種超級蛋白是獨立的蛋白質——紅光感應植物色素和藍光感應光敏色素——的結合體，它將兩個已經很棒的部分結合成一個奇妙的整體，幫助植物向昏暗的散射光生長。這是一種在昏暗的森林地面上生存的巧妙適應方式，一種承認的方式：是的，我知道我不是森林裡最高的樹。但我要利用我所擁有的，而且我要做得非常出色。
直到最近，人們只在地球上的兩個地方知道新色素：一種綠藻（用委婉的說法來說就是——池塘浮渣）和一組喜陰蕨類植物。但是池塘浮渣和蕨類植物之間至少隔著 4 億年的進化歷程，甚至可能更久。這是一個問題。
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這是一個問題，因為只有三種情況可以解釋這一點，而且所有情況似乎都不太可能。首先，新色素存在於池塘浮渣和蕨類植物的共同祖先中，但已從除這兩者之外的所有其他植物中丟失。其次，新色素在這兩個類群中獨立進化。最後，池塘浮渣的新色素基因以某種方式被吸收到蕨類植物的基因組中。
最後一種選擇稱為水平基因轉移 (HGT)，儘管細菌已將其提升為一種藝術形式，但地球上的其餘生命似乎一直不願與陌生物種交換基因。外來物種 DNA 就像一盒巧克力……嗯，您知道剩下的。
事實證明，假設 #2 是正確的，但故事仍然更奇怪。蕨類植物的新色素不是由蕨類植物發明的。它們是偷來的。只是不是從池塘浮渣那裡偷來的。
一些線索暗示了這一點。在蕨類植物中，新色素分佈廣泛，但並非普遍存在。兩個早期進化的蕨類植物目——紫萁目和海金沙目——完全缺乏它。但在桫欏目和真蕨目中卻很豐富。這兩個較晚的類群是在被開花喬木（其闊葉會搶奪光線）支配的森林出現在恐龍時代末期和小行星撞擊事件之後進化而來的。科學家們推測，新色素可能幫助這些蕨類植物在地球上新的、可能更黑暗的森林中繁榮生長。但是蕨類植物從哪裡獲得它們的新色素呢？沒有人知道。
來自歐洲、北美和中國的科學家團隊在杜克大學的李 Fay-Wei 的領導下，著手找出答案。他們搜查了代表植物生命譜系的 474 種植物和藻類的遺傳物質。科學家們搜尋並比較了新色素、光敏色素和植物色素的 DNA 序列。當進行比較時，這些基因中突變的模式講述了一個關於誰與誰相關的故事，以及它們的祖先大約何時分道揚鑣。
綠藻新色素確實是從蕨類植物新色素獨立進化而來的。但出乎意料的是，新色素不僅出現在蕨類植物和池塘浮渣中，還出現在與苔蘚相關的古怪的小型植物類群中，稱為角苔。這意味著新色素既獨立進化了兩次，而且*還*經歷了水平基因轉移。蕨類植物的新色素是從角苔新色素進化而來的，比較序列的計算機程式計算出，支援這一點的證據非常有力。在被納入新色素之前，角苔光敏色素的某個時間點丟失了所有非編碼內含子——遺傳密碼的一部分，通常在從 DNA 製造蛋白質時被切除——這種內含子的丟失在蕨類植物的新色素中也清晰可見。雖然這不是轉移的唯一證據，但它確實是非常有力的證據。
在這張論文中的圖中，您可以看到，在頂部，是蕨類植物新色素的結構，在底部，是透過比較其序列與幾種其他植物類群中新色素、光敏色素和植物色素的基因而構建的蕨類植物新色素的家譜樹。
角苔是如此默默無聞的植物，以至於即使是我也從未見過，儘管這可能更多是由於我自己的無知，而不是我從未與它們的微小、蔓生的身影擦肩而過。像苔蘚和地錢一樣，它們屬於地球歷史上早期進化出的一類陸地植物。這些植物缺乏其餘陸地植物所擁有的那種強大的內部管道系統（植物學家稱之為“維管束”，擁有它的植物被稱為“維管植物”或“管束植物”）。
已知的角苔物種只有大約 100 種。從表面上看，它們的身體類似於地錢，地錢因其形狀略像肝臟的裂片狀身體而得名。但不像地錢（它們有自己的一系列奇異的生殖結構），角苔孢子是從長而高的角中散播出來的，這些角從莖到尖裂開。內部是稱為彈絲的纖維，它們會根據溼度變化而彎曲（我今年早些時候寫過結構不同但功能相似的問荊彈絲）。當時間合適時，它們的扭曲有助於將孢子從巢中彈出。
遺傳證據表明，新色素從角苔跳到蕨類植物大約發生在 1.33 億至 2.29 億年前，比先前發表的蕨類植物和角苔的最後共同祖先分裂的估計時間晚約 2 億年。由於水平基因轉移根據定義發生在類群分化之後，因此這些日期與 HGT 假說一致。
植物學家們意識到，植物物種之間的水平基因轉移並不像以前認為的那麼罕見。cox1 “歸巢內含子”已從真菌蠕蟲般地進入植物基因組 1000 多次。但這並沒有在植物中產生任何功能差異。新色素確實產生了功能差異，並且似乎是這種現象的第一個重要例子，但可能不是最後一個。
卡爾·齊默在《紐約時報》的專欄中，有些挑釁性地——我認為也是正確的——指出，這種對外來 DNA 的隨意態度可能與現代基因工程師將基因從一種生物轉移到另一種生物以製造轉基因生物 (GMO) 的做法沒有什麼不同。儘管許多人以其“不自然”為由譴責這種做法，但對於這些蕨類植物來說，這顯然是自然且有用的。事實上，它是如此自然和有用，以至於它們已將其變成一種習慣。
當科學家們構建了在蕨類植物中發現的新色素基因的家譜樹，並將其與基於蕨類植物其餘 DNA 的蕨類植物家譜樹進行比較時，他們又一次震驚了：這兩棵樹看起來完全不同。如果單一的祖先蕨類植物獲得了新色素，然後以通常的（垂直）方式將其傳遞給其後代，那麼您會期望這兩棵樹是相同的。但它們並非如此。這就是它們——對於文字的大小我深感抱歉。顏色在兩側之間對應，應該可以幫助您理解影像
顯然，蕨類植物——即使是遠親——也一直在交換新色素，就像它是一種社會疾病一樣。這將解釋您在左上方看到的混亂的新色素遺傳模式。
這怎麼可能呢？cox1 “歸巢內含子”——它本身已從真菌蠕蟲般地進入植物基因組 1000 多次——似乎得到了稱為轉座子的序列的幫助，這些序列促進其在植物之間的移動。轉座子是 DNA 片段，包含使序列自身提取並在另一位置重新插入的酶的基因。通常，新的位置是相同的生物。在這種情況下，新的位置可能是一個全新的物種。
Li 等人推測，新色素可能與其自身的轉座子樣移動元件相關聯，這些元件促進物種之間的移動。如果情況是這樣，那將使這種特定基因比其他 DNA 更容易傳播。
但可能還有另一個原因使蕨類植物特別適合跨文化基因交換。蕨類植物過著雙重生活。當您在森林中看到一棵長著葉狀體的蕨類植物時，您看不到的是它的小而不起眼的孿生兄弟。這個孿生兄弟——配子體——是蕨類植物的形式，它包含其所有 DNA 的一個副本，而您所知道的蕨類植物有兩個副本（就像您和我一樣）。所有植物都維持著這種雙重生命週期，稱為“世代交替”。但只有蕨類植物和另一類稱為石松類植物的植物能夠獨立生存。
這張照片中綠色事物的下半部分是微小的、薄紗般的蕨類植物配子體——您看不到的蕨類植物
從它上面發芽的是一棵新的葉狀體蕨類植物。這棵幼蕨類植物是從一個卵子中生長出來的，這個卵子是由蕨類植物精子受精的，蕨類植物精子必須遊過植物，或者被落下的雨滴發射到那裡才能到達那裡。在受精之前，製造精子和卵子的結構裸露地暴露在小植物的身體上。配子體蕨類植物通常生長在與苔蘚和角苔等植物相同的潮溼、低矮的棲息地中，並且可能經常發現自己與彼此親密地生活在一起。像蕨類植物一樣，苔蘚和角苔也會產生游泳的、遠征的精子，這些精子必須協商外部世界才能找到它們的目標。作者假設，由於蕨類植物的種系如此暴露，並且與苔蘚和角苔的可比結構如此密切接觸，誰知道會發生什麼瘋狂的事情呢？
參考文獻
Li F.W.、Villarreal J.C.、Kelly S.、Rothfels C.J.、Melkonian M.、Frangedakis E.、Ruhsam M.、Sigel E.M.、Der J.P. & Pittermann J. & 從苔蘚植物到蕨類植物的適應性嵌合光感受器的水平轉移，《美國國家科學院院刊》，DOI：10.1073/pnas.1319929111