在高质量基因组的基础上 ， 研究人员共注释了67831个高信度的蛋白编码基因 ， 并分析了在木质部特异表达的基因 ， 从分子水平揭示了树蕨中木质素含量高的原因 。
黄雄介绍 ， 他们首先对桫椤茎干中组成维管束的木质部、韧皮部和厚壁细胞带分别进行了显微观察、木质素含量测定和结构解析 ， 发现桫椤木质部中绝大部分细胞为管胞 ， 排列紧密 ， 类似骨骼结构 ， 支撑能力大大增强 。 此外 ， 管胞的细胞壁呈现梯纹加厚特点 ， 结构像梯子一样；管胞细胞壁中加厚的次生壁部分沉积大量木质素 ， 增加了细胞壁的机械强度 。
“这些次生壁加厚的管胞对树干具有支撑功能 ， 使得桫椤树干挺拔 ， 这也可看作是蕨类植物进化演变到树蕨植物的显著标志 。 ”李全梓说 。
同时 ， 木质素还在细胞壁形成“疏水”界面 ， 能促进水分在茎干中沿着管胞通道往上运输 。 而桫椤木质部中木质素含量较高 ， 说明树蕨管胞的运输和支持功能主要是由木质素含量决定的 。
其次 ， 他们分析了在木质部特异表达的基因 。
此前研究发现 ， 植物特有的NAC转录因子是调控细胞次生壁加厚的关键因子 ， 其中VND家族成员调控被子植物导管和裸子植物管胞的发育 。
黄雄介绍 ， 他们鉴定到2个VND基因在木质部中显著上调表达 ， 表明其可能是管胞次生壁加厚的重要调控因子 。 相对于两种水蕨 ， 桫椤中木质素生物合成途径相关的家族成员明显扩张 ， 在木质部和孢子囊堆中表达的家族成员较多 。 这从分子水平上揭示了树蕨中木质素含量高的原因 。
探究桫椤药理作用的分子机理
论文共同通讯作者、中国医学科学院教授朱平介绍 ， 树蕨的茎干又称为“龙骨风” ， 有较好的药用价值 。 “研究树蕨的生长发育及次生代谢物质的合成 ， 对于其进化规律的认识、药理应用及保护都具有重要意义 。 ”
然而 ， 树蕨生长速度缓慢 ， 100年才长高几米 。 多种原因导致桫椤在自然界中存活数量有限 。 “在这样的情况下 ， 虽然桫椤具有良好的中医药理作用 ， 但一直未将其列入中医药典 。 ”朱平说 。
“对桫椤这一树蕨植物生长习性和繁殖过程的研究和认识 ， 使未来以人工途径辅助和促进其繁殖成为可能 ， 还可以实现繁殖增速 。 ”李全梓说 。
“桫椤中的次生代谢物质非常丰富 ， 我们对纯化得到的11个物质进行了结构解析 ， 其中一个新物质具有较好的抗氧化活性 。 ”论文共同第一作者、中国医学科学院药物研究所副研究员巩婷说 ， 该物质由牛奶树碱和白皮杉醇聚合而成 。 研究鉴定了牛奶树碱和白皮杉醇合成及聚合的候选基因 ， 并最终构建了在桫椤木质部中以苯丙氨酸为起始的合成木质素、黄酮和聚酮类化合物的代谢途径 。
“还有大量的次生代谢物质等待鉴定 ， 这些物质具有的药理活性也亟待研究 。 ”朱平说 。
“桫椤是唯一已经发现的木本蕨类植物 ， 在植物进化史上 ， 更是现存植物中最早具有树的性状的古生代植物 。 对桫椤的研究将有助于深入了解地球生命几十亿年史诗般的演化历程、运用生物学思维来提高对生命的认知和理解 ， 也将填补地球生命和植物进化过程研究的空白 。 ”李全梓说 。 （完）（文章来源：中国科学报）
作者/李晨
【3亿年兴衰：桫椤生而为“树”的奥秘】责任编辑：刘正然
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