为了避免沉重的代价,植物在进化中努力将固氮功能丢弃了

科学
为了避免沉重的代价,植物在进化中努力将固氮功能丢弃了
麻省理工科技评论 2018年5月31日

2018年5月31日

因此自从 1888 年这种“共生关系”被发现以后,植物遗传学家们便开始思考:为什么在稳定的氮供给诱惑面前,有些植物没有选择固氮呢?
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因此自从 1888 年这种“共生关系”被发现以后,植物遗传学家们便开始思考:为什么在稳定的氮供给诱惑面前,有些植物没有选择固氮呢?

正如其他的生物一样,植物也需要氮元素来合成氨基酸以及各种必需的生物大分子。尽管氮是空气中最丰富的元素,但氮分子却是相当不活跃的。为了使其能为植物所用,这些氮元素必须被“固定”,或者从分子中脱离出来与氢结合形成氨,之后植物才能通过各种氨反应利用氮元素。

然而植物本身是无法固氮的,如此一来,这一重任就落到了细菌头上。一些豆科及其它类植物与特定的细菌群存在共生关系。这些植物在其根部形成特化的根瘤结构,以容纳和滋养细菌;反过来,细菌可以为植物固定氮元素,保证其有充足的氨供给。然而,仅有 10 种植物科中的一小部分植物属可以利用这种方式固氮。因此自从 1888 年这种“共生关系”被发现以后,植物遗传学家们便开始思考:为什么在稳定的氮供给诱惑面前,有些植物没有选择固氮呢?

一个全球性的遗传学家联合组织对 37 种植物的基因组进行了测序比对,包括共生关系存在与否、是否形成根瘤、是否与农业相关等,并试图找出其中缘由,相关分析结果发表在了《Science》上。

对于植物-细菌共生关系的存在与否,专家们考虑了三种可能因素:

(1)其祖先经历了某种易感事件,从而进化出共生关系;

(2)共生关系独立进化了多次;

(3)共生关系也独立丧失多次。

他们猜想,所有结瘤种都含有可以发生易感事件的基因,而且仅存于这些含瘤种及其进化枝中(进化枝即祖先分枝和所有子代分枝)。然而事实上研究人员并没有找到符合标准的基因,由此推断:如果真的有这样的易感事件发生,应该是通过改变现有基因完成的,而不是创造新基因。于是他们在共生植物中搜寻特定基因的同族基因,因为通过这种方式,一个性状可以多次进化。然而这样的基因也没有被发现。

为了确认那些主导共生的基因是否遗失,他们开始寻找另一类基因,这类基因只存在于含瘤植物和其进化枝以外的植物中,而不存在于大多数同进化枝却不含瘤的植物中。事实上共生基因遗失是很奇怪的,因为固氮对这些植物的存活来说至关重要。这类基因若被发现存在,则说明非含瘤植物的祖先曾经有过共生基因,但在进化过程中丧失了。而这一次大家终于如愿以偿地发现了一个基因,以其启动成瘤(Nodule Inception)的功能命名为 NIN。那些非含瘤的物种与其含瘤近亲一样,具有与 NIN 类似的基因,但 8 次进化丢弃事件让这些 NIN 基因丧失了功能。还有另一个同样为容纳共生菌所必须的基因,也是通过这种方式丢失了。

“使用或丢弃”这一模式对基因同样适用,甚至更为普遍。在生命进程中,如果一些基因表达的性状被弃用或变得不那么重要,他们就会渐渐被遗失。大多数情况下,地球的植物氮源往往受限,因此共生关系得到推崇;然而 NIN 基因竟被抛弃了至少 8 次,说明固氮对植物来说消耗的能量代价太大:也许容纳供给一群细菌并不是那么物有所值;又或者一些非固氮细菌鸠占鹊巢住进了根瘤里。

现在合成生物学家正在研究如何将固氮功能与农作物整合在一起。这的确是个很有价值的目标,不仅有希望减少氮肥生产引起的化石燃料消耗,还能避免化肥流入水源引起的污染。然而他们应该注意一点——尽管人类自己在不断努力给植物开启固氮技能,可植物们自己在进化史上可是好不容易才这把一功能扔掉的。

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