研究揭示苔藓植物有性生殖适应陆地环境的演化机制

中国科学院植物研究所植物登陆与早期演化研究团队以苔藓植物地钱为研究对象，揭示了其雌性生殖结构适应陆地环境的关键机制。相关研究成果近日发表于《自然植物》。

有性生殖产生的遗传变异，是生物适应环境、长期演化的重要基础，雌雄配子相遇是受精的关键。苔藓配子体同时承担有性生殖和孢子扩散功能，既要水分保障精子受精，又要适配干燥环境散播孢子，协调二者的功能冲突，是理解植物登陆演化的重要科学问题。

研究团队对苔藓植物地钱进行了研究，揭示了其雌性生殖结构适应陆地环境的关键机制。地钱为雌雄异株植物，雌性叶状体顶端可形成直立延伸的颈卵器托，将颈卵器抬离地面。这种结构有利于孢子远距离传播，但也增加了精子在陆地环境中到达颈卵器的难度。

研究团队发现，地钱雌性颈卵器托具有此前尚未被认识的定向水分运输系统，能够实现水分逆重力向上运输，为游动精子到达颈卵器提供必要的水分条件。该系统由导水沟、鳞丝和苞膜等多种表面结构共同构成，形成从颈卵器托柄基部延伸至颈卵器区域的连续导水通道。分子机制研究发现，GRAS家族转录因子MpLAS协调调控这些关键表面结构的发育，揭示了单一转录调控因子整合多种结构组分、共同实现定向水分运输的分子基础。这一发现表明，保障受精成功的功能需求可能对表面结构协同发育与功能整合施加了强烈的自然选择压力。

研究还发现，另一GRAS家族转录因子MpGRAS10通过调控赤霉素相关化合物生物合成途径中的关键基因MpKAOL1和MpKAOL2，参与颈卵器托柄的形成。该发现揭示了地钱生殖结构形成的重要调控途径，为理解生殖结构形态建成及其演化提供了新的分子证据。

该研究揭示了苔藓植物通过生殖结构创新协调孢子传播与水媒受精的适应策略，深化了对植物有性生殖适应陆地环境及相关结构演化机制的认识，也为解析复杂整合性状的形成与演化提供了新视角。此外，该系统无需外部动力即可实现定向水分运输，其结构设计原理有望为仿生液体输运系统的研发提供生物学启示。