在琳琅满目的植物世界中,被称为“开花植物”的被子植物是最受注目的一类。在研究领域,关于被子植物的起源与进化,自达尔文时代起,便成为植物进化领域里的一个重大难题,达尔文直接将其称为“令人讨厌的谜题”。
北京林业大学生物学院教授李伟团队在对油松两性突变球花多年田间观察的基础上,借助最新的研究手段,对不同发育进程中的雌雄球花及两性球花不同性别部分进行了高通量基因表达分析,证实油松两性结构实际上来源于雄球花,表明两性生殖结构很可能起源于雌性结构在雄性结构上部(内轮)的异位发育。
该研究还发现,在发育过程中,雄球花遗传调控程序具有非常好的抗干扰性,其可以包容部分雌性发育遗传程序的异位表达,导致雌性结构在两性球花顶端部分异位发育,而并不影响已经完成性别决定部分组织结构的正常功能,使两性球花具有“完全花”的功能,即雄性部分可以产生正常的花粉,雌性结构可以受精并产生种子。
大部分裸子植物都依赖风力传粉,这是一种十分消耗能量而且低效的方式,而被子植物则进化出了更新、更先进的虫媒传粉方式,这不仅帮助有花植物节省花粉的生产以保留更宝贵的能量,还促进了异交,使后代获得更多的杂种优势,
因此,许多关于两性起源的假说都认为虫媒传粉的进化使两性结构在进化之初便形成了选择优势,为被子植物的迅速繁茂推波助澜。
参与本研究的北京林业大学博士钮世辉却认为,虫媒传粉的进化对于被子植物的起源可能并不止于锦上添花,而很可能是至关重要的。观察发现两性球花雄性部分虽然能产生正常花粉,但却并不能正常散粉,如果两性结构在进化之初也同样丧失了依赖风媒传粉的能力,那么虫媒传粉机制进化的动力除了获得杂种优势外,两性结构本身承受的选择压力很可能也发挥着重要作用。
值得一提的是,探究针叶树球花性别调控机制还有着重要的现实意义,针叶树在北半球林业与生态环境中都有着重要地位,世界上现在最古老、最高、最大的生物全部属于针叶树,而针叶树的繁育主要依赖种子繁殖,性别调控一直是针叶树遗传改良与良种繁育的技术重点与难点。
现在,研究人员已经根据最新的发现,尝试人为调控针叶树的性别,并已经在田间用实验证实两性球花可以人为重复且稳定地诱导。这些研究进一步表明,裸子植物祖先有充分的潜力从雄性结构中进化出两性结构,而两性结构的起源也许正是一个新时代的开端。
植物的进化从未有过停止,达尔文谜题的解答也仍在继续。从古老有花植物茂林中的灵长类祖先,到东非热带大草原的草丛中的早期人类,再到漫步在百花妆点的都市林荫道的现代人类,人类文明向前迈出的每一步旁边都盛开着各异的花朵。但很少有人能够想到,这一切都要感谢2亿年前,有一株裸子植物。