水生植物是長期適應(yīng)水環(huán)境生長的特殊演化類群，在食物、藥材供給(如蓮藕、芡實)、工業(yè)原料(如蘆葦)、景觀旅游和生態(tài)修復(fù)等方面發(fā)揮著重要作用。盡管生命海洋起源說廣為人知，但絕大多數(shù)水生植物實際上是由陸生植物重新適應(yīng)水環(huán)境演化而來，這一過程在進(jìn)化史上至少獨(dú)立發(fā)生了200余次。水生植物如何成功從陸生祖先“移民”至水下世界，一直是植物適應(yīng)性進(jìn)化研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)科學(xué)問題之一。

12月9日，武漢植物園與中國藥科大學(xué)等合作團(tuán)隊在國際學(xué)術(shù)期刊《Current Biology》上發(fā)表了題為“The convergent genomic dynamism for aquatic adaptation in vascular plants”的研究論文。該研究整合了122個維管植物的全基因組數(shù)據(jù)，并結(jié)合形態(tài)學(xué)觀察(氣孔、維管束、通氣組織)、水淹處理實驗及轉(zhuǎn)錄組測序，開展了迄今規(guī)模最大的水生植物系統(tǒng)比較分析，揭示了植物適應(yīng)水環(huán)境的遺傳新機(jī)制：

發(fā)現(xiàn)一：水生植物基因組進(jìn)化的“加速跑”。通過比較不同生活型植物(陸生、挺水/浮葉、淡水沉水、海草)的基因進(jìn)化速率，發(fā)現(xiàn)水生植物尤其是沉水植物和海草的核基因、線粒體基因和葉綠體基因進(jìn)化速率均顯著高于其陸生近緣種，表明水生環(huán)境并未“減緩”進(jìn)化，反而可能通過環(huán)境選擇壓力(如低光、低氧、鹽度變化等)增加突變率，或通過小種群效應(yīng)促進(jìn)遺傳漂變，從而加速了基因組演變步伐。

發(fā)現(xiàn)二：功能基因家族存在趨同擴(kuò)張現(xiàn)象。之前學(xué)界普遍認(rèn)為水生植物主要通過基因丟失、基因組簡化來適應(yīng)水環(huán)境。本研究通過多策略分析發(fā)現(xiàn)，多個獨(dú)立起源的水生植物類群中存在大量趨同的基因家族擴(kuò)張事件，這些擴(kuò)張基因與鐵離子穩(wěn)態(tài)、通氣組織形成、光合作用增強(qiáng)及滲透壓調(diào)節(jié)等關(guān)鍵適應(yīng)性狀密切相關(guān)。例如，缺鐵響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子bHLH115在沉水植物中顯著擴(kuò)增，可能幫助其適應(yīng)水體中鐵元素匱乏的環(huán)境。

發(fā)現(xiàn)三：特定表型與基因拷貝數(shù)密切相關(guān)。顯微觀察與控制實驗表明，不同水生植物在氣孔發(fā)育和通氣組織形成等方面差異顯著。沉水植物的水下葉通常無氣孔或氣孔退化，但在暴露于空氣中時，部分種類能迅速發(fā)育出氣孔，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的表型可塑性。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，與氣孔發(fā)育相關(guān)的13個關(guān)鍵基因的拷貝數(shù)與葉片單位面積氣孔總面積呈顯著正相關(guān)，這為理解植物形態(tài)響應(yīng)水生環(huán)境提供了基因?qū)用娴闹苯幼C據(jù)。

發(fā)現(xiàn)四：植物耐澇響應(yīng)策略呈現(xiàn)分化模式。通過比較12個代表性植物(包括陸生、挺水/浮葉和沉水類型)在水下與空氣中的基因表達(dá)差異，發(fā)現(xiàn)挺水/浮葉植物和陸生植物在水淹時會啟動一套特定基因集(如乙烯合成、缺氧耐受、通氣組織形成等)以“抵抗”或“逃避”脅迫。相比之下，沉水植物表現(xiàn)出截然不同的表達(dá)模式：在空氣中暴露時上調(diào)氣孔發(fā)育、細(xì)胞壁合成等相關(guān)基因，而在水下則進(jìn)入“節(jié)能模式”，抑制這些耗能途徑。這表明沉水植物在長期適應(yīng)中已從“應(yīng)激響應(yīng)”轉(zhuǎn)向“常態(tài)適應(yīng)”，暗示其擁有獨(dú)特的基因資源與表達(dá)調(diào)控策略。

全球氣候變化導(dǎo)致洪澇災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重威脅糧食安全。上述研究成果不僅為理解植物水生適應(yīng)機(jī)制提供了新視角，也為作物耐澇性改良提供了新思路。中國藥科大學(xué)陳凌云副教授、武漢植物園操瑜副研究員、中國藥科大學(xué)研究生王甲樂和陳洪為論文共同第一作者;武漢植物園萬濤研究員、王青鋒研究員為共同通訊作者。復(fù)旦大學(xué)黃建勛副研究員、慕尼黑大學(xué)Diego F. Morales-Briones博士等參與了該研究。研究得到了國家自然科學(xué)基金(32370242、32370388)、“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃(2024YFF1307400)、中央高?；究蒲谢?2632024TD04)及云南省科技廳重點(diǎn)研發(fā)計劃(2024YFF1307400)的支持。

圖1 水生植物適應(yīng)性趨同演化