A gene that became critical to the survival of many ferns (pictured) came from an unexpected source: hornworts, a group related to mosses

恐龙时代，对手开花植物的到来似乎宣判了古老蕨类植物系的灭亡。然而相反，蕨类植物在树荫的弱光环境下变得多样化而繁荣-利用神秘的基因帮助它们适应弱光环境。

杜克大学科学家领导的研究团队已经确定了该基因的离奇起源，鉴定其是从一组不起眼的、被称为金鱼藻的苔藓状植物转移到蕨类植物中。研究结果四月十四日在《美国国家科学院院刊》发表。

多年来，研究人员一直怀疑一个称为neochrome的基因在蕨类植物进化中的作用。neochrome是两个其他植物编码蓝色和红色感光蛋白的基因的杂合体。

 “neochrome是一种嵌合基因，”领衔作者、杜克大学生物系博士生Fay-Wei Li说。它产生光感受器，感受蓝色光和红色光，赋予处于开花植物形成的森林树荫下的蕨类植物以独特优势。“大多数植物感受蓝色光并朝其生长，但林冠下，过滤后的光谱具有比蓝色光更多的红色光。”

“neochrome帮助蕨类‘看’得更好，”Li说。不清楚的是基因的起源。李系统梳理杜克大学植物标本馆和1000植物倡议的植物基因组，设法调查这个基因的进化。

Neochrome出现在一个令人惊奇地方：喜潮湿的苔藓植物类群金鱼藻的基因组。

三种情况可以解释这个基因被蕨类植物和金鱼藻共享的可能性：1）共同的基因祖先；2）两类群基因独立演化；3）通过称为水平基因转移这一过程将neochrome基因从一个类群转移到另一类群。

为了区分这些推测，研究团队不仅分析了陆地植物和藻类的进化关系，还考察其所有感光基因的相关性。

蕨类植物和金鱼藻在4亿年前分支进化。如果neochrome来自一个共同的祖先，它也会被传递到许多其他植物谱系。但除了蕨类植物，其他谱系植物已失去了这个基因，因为任何种子植物都没有这个基因。分析也不支持诸如neochrome等不寻常基因在金鱼藻和蕨类植物中独立进化的观点。

科学家发现了强有力的证据，认为蕨类植物的neochrome版本起源自金鱼藻版本。通过检测这个基因的各种不同版本的序列变化，他们建立了一个感光基因家族树，其中蕨类植物neochrome整齐地“嵌套”在金鱼藻谱系。分析还表明，基因版本约1亿7千9百万年前发生分化。

只有一个机制可以解释这个基因如何在基因家族树谱系分化这么长时间后从金鱼藻跳转到蕨类：水平基因转移。但是，研究人员仅刚开始探索这在植物中是如何发生的。

“实际上我们看到植物中水平基因转移的发生率越来越高，但没有明确的答案说明这类转移的介导媒介，”Li说。

在微生物世界，已证明细菌、真菌和病毒介导水平基因转移，只要遗传物质在不同的生物体混合就能发生。这是一个混乱的事情，但它可以有强力的进化结果，例如基因转移是许多细菌获得耐药性的途径。

“水平基因转移必须有细胞接触，”Li说。蕨类植物有一个独特的生命周期，可能会有助于自身水平基因转移，他补充道。蕨类植物性细胞配子体是易杂交的小植物。

 “配子体上面没有保护层，没有角质层，”蕨类植物权威、杜克大学的生物学教授Kathleen Pryer说。“一种配子体也有一个非常紧凑的结构，多个性器官能与其他竞争光线和空间的植物充分接触。”

易于接近蕨类植物的精子和卵子意味着外源遗传物质（如基因neochrome）可能很容易被传递到后代。然而，neochrome被转移似乎已经发生在蕨类植物进化史的适当时候。

    “金鱼藻neochrome基因的获得是蕨类植物谱系能在被子植物（开花植物）树荫下繁荣的原因，” 加利福尼亚大学戴维斯分校生物化学教授J. Clark Lagarias说。教授没有参与这项研究。

Fay-Wei Li将继续揭示neochrome基因历史作为他的学位论文。（编译：中国科学院成都生物研究所 王芋华，王海燕）

Horizontal transfer of an adaptive chimeric photoreceptor

from bryophytes to ferns

Abstract  Ferns are well known for their shade-dwelling habits. Their ability to thrive under low-light conditions has been linked to the evolution of a novel chimeric photoreceptor—neochrome—that fuses red-sensing phytochrome and blue-sensing phototropin modules into a single gene, thereby optimizing phototropic responses. Despite being implicated in facilitating the diversification of modern ferns, the origin of neochrome has remained a mystery. We present evidence for neochrome in hornworts (a bryophyte lineage) and demonstrate that ferns acquired neochrome from hornworts via horizontal gene transfer (HGT). Fern neochromes are nested within hornwort neochromes in our large-scale phylogenetic reconstructions of phototropin and phytochrome gene families. Divergence date estimates further support the HGT hypothesis, with fern and hornwort neochromes diverging 179 Mya, long after the split between the two plant lineages (at least 400 Mya). By analyzing the draft genome of the hornwort Anthoceros punctatus, we also discovered a previously unidentified phototropin gene that likely represents the ancestral lineage of the neochrome phototropin module. Thus, a neochrome originating in hornworts was transferred horizontally to ferns, where it may have played a significant role in the diversification of modern ferns.

原文链接：http://www.pnas.org/content/early/2014/04/09/1319929111.full.pdf+html