植物与真菌共存10亿年

2020-10-16 30真菌

在植物和真菌的进化过程中,10亿年的共存能告诉我们什么?

植物与真菌共存10亿年

8亿年前,陆地上既没有植物也没有真菌,考虑到它们目前巨大的生物多样性、生态系统优势以及对环境的影响,这是一个惊人的现象。

弗吉尼亚理工大学名誉教授Khidir Hilu和一个由13名在植物学、真菌学、古生物学和生物信息学方面具有互补专长的研究人员组成的团队,在《自然通讯》上发表了一项大规模的研究来解决这个问题。

科学院生物科学系荣誉退休教授希鲁说:“植物和真菌向陆地的迁移不可逆转地改变了我们的地球,并塑造了它们自己以及动物王国的生物多样性。”我们的研究表明,植物与真菌共存10亿年,植物和真菌入侵陆地的成功是两者共同进化的结果,它们增强了它们的生物多样性。这些发现及时地考虑了当前气候变化、动植物经历的显著灭绝以及对地球的影响。”

作者指出,尽管真菌和植物之间的相互作用,包括寄生、共生(对两种有机体都有益)和腐殖质(从死的植物部分获取营养)被认为是它们成功的关键机制,但在它们的历史上,还没有人探索过同期的进化事件。

研究内容

在这篇文章中,作者利用分子和生物信息学技术,从多角度探讨了植物和真菌的进化。他们首先利用实验室产生的或从基因组序列库中获得的基因序列数据,独立地为植物和真菌建立了强健的系统发育学或进化史。

接下来,他们利用基因突变和可靠的化石记录估计了植物和真菌谱系的进化分化日期。然后他们独立计算了两个王国主要血统多样化率的主要变化。一旦这些研究完成,由此产生的植物和真菌的系统发育关系在同一地质时间尺度上进行了比对,这使得研究人员能够精确定位各种关键的植物-真菌共进化事件的起源,特别是共生关系和真菌对植物的分解。他们注意到这两个王国的多样化率发生了巨大的变化,令人信服地表明了植物-真菌在漫长的历史中的共同进化和相互依赖。

研究结果

作者报告说,真菌在陆地上的定殖与至少两种陆生绿藻的起源有关,并得到它们的帮助,这两种起源早于陆地植物的起源。这与大约7.2亿年前真菌鞭毛(一种帮助真菌在水中游动的鞭毛状附属物)的消失不谋而合。

相反,数百万年后,在古生代时期,最终产生了今天所有陆生植物的世系对土地的成功殖民很可能是由真菌促成的,特别是通过真菌占领最早陆地植物的细胞,促进共生关系,这是植物和真菌在陆地上成功的关键。

研究意义

地球上重要的生物、生态和环境事件之一,是包含所有种子植物的血统的起源和最初的多样化。种子植物,包括针叶树和开花植物,在大约4.36亿年前的志留纪时期出现。值得注意的是,这种植物谱系的一个显著特征是存在一种特殊类型的细胞分裂,这种细胞分裂产生了木材。这导致了大型木本树木的进化,进而导致了第一批以富含木质素的木材为主材的内陆森林的建立。

如果没有真菌的进化和它们消化植物细胞壁结构聚合物木质素和纤维素的能力,这样的行动就不可能成功。这种进化上的新颖性有助于有机物的循环利用,从而使森林系统得以维持。种子植物谱系的起源和早期的多样化依次是最大的真菌类群琼脂菌的进化。

外生菌根真菌(真菌与植物的根相联系)的起源似乎源于植物的一系列进化创新,包括木材、种子和根的起源。这些相应的进化事件对于促进物种多样性至关重要,导致现有种子植物,包括松树、云杉、红杉和苏铁,以及开花植物,以及它们向干燥环境的扩展。

后一类,除了包括大多数活的植物物种和主要的生态系统,如森林和草原,在形式和功能上也包含着惊人的多样性,并提供了我们几乎所有的食用植物。菌根通常能在植物周围与外界环境形成共生关系,帮助植物吸收水分和养分。

植物和真菌的宏观进化大多是分开研究的;然而植物与真菌共存10亿年,这项研究清楚地表明,它们各自的进化史是紧密相连的,只有在一个强有力的时间框架内同时研究它们的系统发育才能理解它们。

动物界是一个高度依赖于光自养植物和微生物的群体,预计动物界的进化也是如此。

引用

Virginia Tech. "A billion years of coexistence between plants and fungi." ScienceDaily. ScienceDaily, 6 February 2019. www.sciencedaily.com/releases/2019/02/190206123749.htm.

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