多囊藓（Physcomitrella）茎尖的干细胞以螺旋模式分裂和繁殖，使植物能够超越其藻类祖先的二维生长。（图片来源：Jill Harrison，布里斯托大学）植物是地球上生命的主宰，按碳的千兆吨计算，占生物量的 80% 以上。今天，陆生植物拥有各种复杂的形状，从粗壮的猴面包树到缠绕的常春藤，但它们都从一个更简单的过去演变而来。陆生植物的根源可追溯到水生藻类，其结构基本只有两种选择：细丝状或扁平状。但在某个时候，这些早期植物学会了以多种形状生长，以适应水外的生活。这一切都归结于植物细胞的繁殖方式。藻类细胞以直线或平面分裂和生长，但陆生植物的细胞可以向任何方向分裂和生长。这种适应使它们能够在陆地上各种环境中繁衍生息。
周四发表在
上的一篇论文描述了植物科学家如何识别出一种机制，该机制使陆生植物的细胞能够向任何方向繁殖。通过从一种苔藓物种中去除一些基因并观察其早期生长，他们发现该苔藓难以以通常的螺旋模式复制细胞，而螺旋模式使其能够进行三维生长。研究人员在开花植物中发现了相同的基因，但在藻类中没有，这表明该机制可能导致了陆生植物三维生长的演变。
三维生长
植物通过分裂和复制称为干细胞的细胞生长，通常在根和茎的尖端。在简单的藻类中，细胞仅在一个维度分裂，产生细丝状结构，或在两个维度分裂，产生扁平垫状结构。想象一堵只有一块砖厚的砖墙，你只能在上面或旁边放置砖块，而不能在前面或后面。在陆生植物中，茎尖的干细胞可以首先向一个方向分裂，然后向与第一个方向大致成直角的第二个方向分裂，然后再次向大致成直角的第三个方向分裂，依此类推。这使得植物能够长出带有叶子的直立茎，叶子从多个侧面生长。以前你只能建造砖墙，现在你可以建造房屋、塔楼以及三维提供的所有其他变体。植物生物学家吉尔·哈里森和她的团队希望了解陆生植物是如何演变出这种能力的。这就是苔藓登场的地方。“藻类具有这种丝状或平面形式，苔藓最初也是这样生长的。然后几周后，它开始形成这些三维芽，”植物生物学家、该研究的第一作者之一约瑟夫·卡马拉塔解释道。“因此，通过这种转变，它有点像进化过程中发生的事情的一个例子。”为了找出可能导致苔藓进行三维生长的原因，该团队种植了经过基因改造的突变版本。他们在一种名为 CLAVATA 的特定肽（或类似蛋白质的小分子）及其所属的细胞信号系统中找到了他们想要的东西。当苔藓植物没有正常工作的 CLAVATA 系统时，它们无法以螺旋模式复制——选择或多或少地沿一个方向继续分裂，而不是过渡到三维生长。“它们确实尝试过渡，但它们搞砸了，”卡马拉塔说。这强烈表明 CLAVATA 以某种方式控制着三维生长。
CLAVATA 细胞信号通路影响多囊藓（Physcomitrella）在三维空间的生长。（图片来源：Pirex）
突变苔藓
植物生物学家、该研究的另一位第一作者克里斯·惠特伍兹很高兴看到突变苔藓的挣扎。“我记得第一次在显微镜下看到它时非常兴奋，因为它是我能梦想到的最好的事情，”惠特伍兹说。尽管 CLAVATA 已被植物科学家研究了几十年，但这是首次发现它或任何其他细胞信号系统会影响干细胞分裂和生长的方向。研究人员在拟南芥（一种开花植物）中重复了他们的工作。CLAVATA 影响苔藓和开花植物等不同物种的细胞分裂方向，并且在藻类中根本不存在的事实是另一个重要线索，表明它或植物 DNA 中类似的东西可能在将水生植物带到陆地上发挥了作用。科学家们继续研究植物是如何实现三维生长的。卡马拉塔正在他的研究生工作中深入研究这个项目。惠特伍兹正在研究一个独立但相关的三维植物生长之谜——食肉捕虫植物如何从扁平的结构中长出杯状结构。“这是一个类似的问题，关于如何制造复杂的三维结构，但背景非常不同，”惠特伍兹说。
