近日，薛佳宇/Yves Van de Peer團(tuán)隊(duì)圍繞“陸地植物起源與演化（Origin and Diversification of Land Plants）”這一生命演化重大科學(xué)問(wèn)題，系統(tǒng)開(kāi)展了多層次、多尺度的研究工作，先后在《Plant Communications》、《Nature Genetics》和《Cell Genomics》發(fā)表系列研究論文，從時(shí)間起源、基因組創(chuàng)新到蛋白結(jié)構(gòu)域演化三個(gè)層面，構(gòu)建了陸地植物起源與多樣化的完整演化圖景。

從時(shí)間維度厘清植物登陸的起源節(jié)點(diǎn)

在2025年9月初發(fā)表于《Plant Communications》的研究論文“Comprehensive sampling from mitochondrial genomes substantiates the Neoproterozoic origin of land plants”中，研究團(tuán)隊(duì)基于覆蓋綠色植物主干譜系的大規(guī)模線(xiàn)粒體基因組數(shù)據(jù)集，重建了陸地植物的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系并對(duì)其起源時(shí)間進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)估。

研究結(jié)果表明，陸地植物的冠群起源可追溯至新元古代（Neoproterozoic），顯著早于傳統(tǒng)基于有限數(shù)據(jù)推測(cè)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。該研究通過(guò)多種分區(qū)模型和化石校準(zhǔn)策略，顯著提高了深時(shí)系統(tǒng)發(fā)育和分歧時(shí)間估計(jì)的穩(wěn)定性，為理解植物登陸與地質(zhì)環(huán)境變化之間的協(xié)同演化提供了關(guān)鍵時(shí)間框架。

課題組博士生戶(hù)帥雅為第一作者，薛佳宇、Zhen Li和Yves Van de Peer為共同通訊作者。

圖1基于線(xiàn)粒體基因組的植物系統(tǒng)關(guān)系及分子鐘

從基因組尺度揭示早期陸地植物的創(chuàng)新潛力

隨后參與深圳仙湖植物園主導(dǎo)的研究工作“Bryophytes hold a larger gene family space than vascular plants”（發(fā)表于《Nature Genetics》，薛佳宇為共同一作，Yves Van de Peer為共同通訊作者），通過(guò)構(gòu)建苔蘚植物超級(jí)泛基因組，系統(tǒng)比較了苔蘚植物與維管植物在基因家族空間上的差異。

研究發(fā)現(xiàn)，盡管苔蘚植物在形態(tài)結(jié)構(gòu)上相對(duì)簡(jiǎn)單，但其基因家族多樣性顯著高于維管植物。大量譜系特異和物種特異的基因家族廣泛存在于苔蘚植物中，這些基因家族與環(huán)境脅迫響應(yīng)、代謝多樣性和免疫防御等功能密切相關(guān)。該研究顛覆了“形態(tài)復(fù)雜性與基因復(fù)雜性直接正相關(guān)”的傳統(tǒng)認(rèn)知，揭示了早期陸地植物在基因組層面具備高度創(chuàng)新潛力。

圖2123個(gè)苔蘚新基因組為研究植物登陸提供了寶貴資源

從蛋白結(jié)構(gòu)域?qū)用娼馕鲫懙刂参锒鄻踊瘷C(jī)制

在12月底最新發(fā)表于《Cell Genomics》的研究“Evolution of protein domains and protein domain combinations provides insights into the origin and diversification of land plants”中，課題組進(jìn)一步將研究尺度下探至蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域這一功能模塊層級(jí)，系統(tǒng)分析了446個(gè)植物基因組中結(jié)構(gòu)域的組成、演化動(dòng)態(tài)及其與植物多樣化的關(guān)系。

研究結(jié)果表明，植物結(jié)構(gòu)域的演化并非簡(jiǎn)單的線(xiàn)性積累過(guò)程，而是呈現(xiàn)出“早期關(guān)鍵獲得+長(zhǎng)期核心結(jié)構(gòu)域丟失+非核心結(jié)構(gòu)域持續(xù)獲得與結(jié)構(gòu)域重組”的動(dòng)態(tài)模式。研究發(fā)現(xiàn)，植物登陸前后發(fā)生了三次爆發(fā)性的大量獲得新結(jié)構(gòu)域，其中部分新獲得結(jié)構(gòu)域與陸生相關(guān)器官和結(jié)構(gòu)的形態(tài)發(fā)生密切相關(guān)。此外，結(jié)構(gòu)域組合的持續(xù)擴(kuò)展和活躍重組顯著提升了蛋白質(zhì)功能多樣性，是推動(dòng)陸地植物譜系分化和生態(tài)適應(yīng)的重要分子機(jī)制。

薛佳宇為第一兼通訊作者，課題組博士生楊程傲為共同第一作者，Zhen Li和Yves Van de Peer為共同通訊作者。

圖3 植物蛋白結(jié)構(gòu)域的演化過(guò)程

上述三項(xiàng)研究從起源時(shí)間—基因組創(chuàng)新—蛋白功能模塊演化三個(gè)層面，形成了一個(gè)邏輯遞進(jìn)、相互支撐的研究體系，系統(tǒng)回答了植物何時(shí)登陸、以何種基因組基礎(chǔ)完成登陸、以及如何在登陸后實(shí)現(xiàn)持續(xù)多樣化等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。該系列成果不僅深化了對(duì)陸地植物起源與演化機(jī)制的理解，也為探討生物如何應(yīng)對(duì)重大環(huán)境轉(zhuǎn)變、以及植物抗逆性和功能創(chuàng)新的分子基礎(chǔ)提供了重要理論依據(jù)。

相關(guān)論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590346225002597?via%3Dihub

https://www.nature.com/articles/s41588-025-02325-9

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666979X25003635?via%3Dihub