植物是 DNA 囤积者。秉承永远不会丢弃任何可能在以后有用的东西的格言，他们经常复制他们的整个基因组并坚持增加的遗传包袱。然后所有这些额外的基因都可以自由变异并产生新的身体特征，从而加快进化速度。
一项新研究表明，在裸子植物(包括松树、柏树、红杉、银杏和苏铁等多种种子植物)的整个进化历史中，此类重复事件至关重要。该研究今天发表在Nature Plants 上，表明现代裸子植物祖先的基因组重复可能直接促成了 3.5 亿多年前该类群的起源。随后的复制为创新性状的进化提供了原材料，使这些植物能够在急剧变化的生态系统中持续存在，为最近 2000 万年的复兴奠定了基础。
“在它们进化开始时的这一事件为基因进化和创造全新功能创造了机会，这可能有助于裸子植物过渡到新的栖息地并有助于它们的生态优势，”佛罗里达博物馆最近的博士毕业生格雷戈里·斯图尔说。自然历史和该研究的主要作者。
仔细观察裸子植物
虽然拥有两组以上的染色体——一种称为多倍体的现象——在动物中很少见，但在植物中却很常见。例如，我们吃的大多数水果和蔬菜都是多倍体，通常涉及两个密切相关的物种之间的杂交。许多植物，包括小麦、花生、咖啡、燕麦和草莓，都受益于具有多个不同的 DNA 拷贝，这可以导致更快的生长速度以及尺寸和重量的增加。
然而，直到现在，还不清楚多倍体如何影响裸子植物的进化。尽管它们拥有植物界中一些最大的基因组，但它们的染色体数量很少，几十年来，这促使科学家们假设多倍体在这些植物中并不普遍或重要。
裸子植物的遗传学也很复杂。它们庞大的基因组使研究具有挑战性，而且它们的大部分 DNA 由不编码任何内容的重复序列组成。
“裸子植物基因组之所以复杂，是因为它们似乎有积累大量重复元素的倾向，”该研究的合著者、佛罗里达博物馆馆长和佛罗里达大学特聘教授道格拉斯·索尔蒂斯 (Douglas Soltis) 说。“像银杏、苏铁、松树和其他针叶树这样的东西充满了所有这些与基因组复制无关的重复性物质。”
然而，包括 Soltis 在内的植物生物学家最近的一项合作努力，从 1,000 多种植物中获取大量基因序列，为试图拼凑陆地植物进化的悠久历史的科学家们打开了新的大门。Stull 现在是中国科学院昆明植物研究所的博士后研究员，他和他的同事结合使用这些数据和新生成的序列，重新审视裸子植物。
基因组重复产生裸子植物
通过比较活裸子植物的 DNA，研究人员能够及时回溯，发现与主要群体起源一致的多个古代基因组复制事件的证据。
裸子植物在其漫长的历史中经历了重大的灭绝，因此很难破译它们之间关系的确切性质。但是，所有活裸子植物的基因组都具有远古时代(即 3.5 亿多年前)的古老复制特征。一亿多年后，又一次重复产生了松树科，而三分之一则导致了罗汉松的起源，该组主要包含树木和灌木，今天主要限于南半球。
在每种情况下，分析都揭示了复制 DNA 与独特性状进化之间的密切联系。虽然未来的研究需要确定哪些特征是由于多倍体而产生的，但可能的候选者包括含有固氮细菌的苏铁奇怪的卵状根，以及在现代针叶树中发现的各种锥体结构。例如，罗汉果球果经过高度修饰，看起来很像水果，Stull 说：“它们的球果非常肉质，有各种颜色，被不同的动物分散。”
竞争和气候变化导致灭绝和多样化
Stull 和他的同事还想知道基因组重复是否会影响新裸子植物物种随时间进化的速度。但他们发现，在全球气候显着变化的背景下，灭绝和多样化之间存在复杂的相互作用，而不是明确的模式。
今天，大约有 1,000 种裸子植物，与大约 300,000 种开花植物相比，这似乎并不多。但在它们的鼎盛时期，裸子植物更加多样化。
在 6600 万年前的小行星灭绝事件之前，裸子植物仍然蓬勃发展，以恐龙的灭亡而闻名。但撞击所带来的巨大生态变化使问题大打折扣：恐龙消失后，开花植物迅速开始与裸子植物谱系竞争，裸子植物谱系因此遭受了重大灭绝。一些团体被彻底扼杀，而另一些团体勉强生存到现在。例如，曾经繁盛的银杏科今天只代表一个单一的生物物种。
但这项研究的结果表明，至少一些裸子植物群在大约 2000 万年前开始卷土重来，恰逢地球过渡到更凉爽、更干燥的气候。
“我们看到历史上裸子植物不仅继续下降，而且它们的物种数量实际上也多样化，这使得它们的进化历史更加动态，”合著者帕梅拉·索尔蒂斯说，佛罗里达博物馆馆长和用友特聘教授。
虽然一些裸子植物未能应对气候变化和竞争的双重幽灵，但另一些裸子植物在某些栖息地具有优势，因为这些特性导致它们在与开花植物的古老竞争中失败。松树、云杉、冷杉和杜松等植物群重新开始。
“在某些方面，裸子植物可能没有那么灵活，”Pamela Soltis 说。“他们有点不得不‘等待’，直到气候更加有利，以便他们实现多样化。”
在某些环境中，裸子植物适应生活在极端环境中。在北美洲东南部的松林中，长叶松适应频繁的火灾，这使它们的竞争对手变得灰暗，针叶树在远北的北方森林中占主导地位。但是带走火或冷，开花植物很快就会开始侵占。
虽然裸子植物仍处于多样化的过程中，但它们已被人为对环境的改变所打断。目前，由于气候变化和栖息地丧失的累积压力，超过 40% 的裸子植物面临灭绝的威胁。未来的研究阐明他们的潜在遗传如何使他们能够坚持到现在，可能会为科学家提供一个更好的框架，以确保他们能够在未来很好地生存。
“尽管在过去的 2000 万年里，一些针叶树和苏铁类植物已经发生了相当大的多样化，但许多物种的分布非常有限，并且面临灭绝的危险，”斯图尔说。“减少栖息地丧失的努力对于保护目前受到灭绝威胁的许多物种来说可能是必不可少的。”
该研究的其他合著者是山东师范大学的肖建;芝加哥大学的 Caroline Parins-Fukuchi;中科院杨英英、杨俊博、杨志云、李德珠、易廷双;宾夕法尼亚州立大学的 Yi Hu 和 Hong Ma;和密歇根大学的斯蒂芬史密斯。
