最早的种子植物出现在3.6亿年前的泥盆纪，然而直到数千万年之后的石炭纪末期，种子植物才开始崛起，并逐渐在二叠纪末期取代蕨类植物成为地球的霸主，地球也因此进入中生代，也就是传说中的“恐龙时代”。然而，种子植物为什么会在古生代晚期开始崛起仍然是一个未解之谜。
近日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心与湖北大学生命科学学院合作，首次从特化细胞壁进化的角度揭示了种子植物崛起的奥秘，这一成果近日在国际学术期刊《自然·植物》发表。
根系是植物吸收和运输水分及矿质营养的关键器官，在植物的演化过程中扮演重要作用。早在种子植物形成之前，根就在石松植物、蕨类植物和种子植物的共同祖先中出现了，但其结构和功能一直处于不断进化之中。科研团队利用18个不同进化节点中的代表性植物物种，系统地开展了根系内皮层凯氏带和木栓质片层起源的研究。
凯氏带和木栓质片层都是植物的内皮肤，可以防止营养和水分的散失以及有害物质的侵害。其中凯氏带是封闭细胞间隙的，相当于瓷砖之间的“美缝剂”，由于植物有细胞壁，间隙较大，因而需要“美缝剂”来填充。而木栓质片层是覆盖在细胞上的，就像人类的皮肤一样，两者合作共同维护植物体内的水分和营养环境。
研究发现，凯氏带存在于包括石松类、蕨类、裸子植物以及被子植物在内的所有维管植物中，而木栓质片层则仅存在于包括了裸子植物和被子植物在内的种子植物中。这些证据表明凯氏带起源于所有维管植物的共同祖先，而木栓质片层则在更晚的种子植物共同祖先中才被进化出来。这一结果推翻了植物学界长期以来木栓质片层和凯氏带共同起源的观点，为研究木栓质片层的进化提供了新的视界。
木栓质片层提高了植物在干旱情况下的水分运输效率和耐旱性经过研究，科研团队提出了一个全新的种子植物崛起模型：石炭纪湿润的气候下，没有木栓质片层的蕨类植物水分和营养吸收效率更高，更能适应当时的环境，因此更为繁荣；而在石炭纪晚期开始的干旱气候下，进化出了木栓质片层的种子植物具备了更高效的水分运输效率，干旱适应能力更强，从而能够逐渐取代蕨类植物，成为地球的霸主。
该研究不仅揭示了凯氏带和木栓质片层的起源之谜，并且从一个崭新的角度首次证实了木栓质片层的出现成为促进种子植物的崛起驱动力。此外，研究发现了木栓质片层在植物应对干旱等逆境胁迫中发挥的重要作用，对提高植物的抗旱性、解析植物耐盐耐旱机制以及研发抗旱新品种等方面具有重要意义。
(总台央视记者 帅俊全 褚尔嘉)