六千五百万年前，地球上的生命经受了严峻的考验。一场或多场灾难性事件，包括大规模的小行星撞击和火山活动加剧，在全球范围内引发了野火，并形成尘埃云，阻挡了太阳至关重要的光线照射到地表。大多数动物物种灭绝，包括最著名的恐龙。地球植物的命运则鲜为人知，但其中 60% 也因此灭绝。是什么区分了幸存者和死者？一些物种是如何跨越这个所谓的“K/T 界限”的？
Jeffrey Fawcett 来自佛兰德斯生物技术研究所，他认为答案在于它们的基因组，特别是它们拥有多少拷贝。遗传学家发现，大多数植物在其进化过程中都曾复制过其全部遗传物质。它们被称为“多倍体”——拥有相同基因组多个拷贝的物种。
通过对这些基因组倍增事件进行年代测定，Fawcett 发现最近的一次倍增事件集中在某个特定的地质时期——6500 万年前，也就是 K/T 界限时期。这表明，拥有额外的基因组拷贝使这些植物获得了它们应对灭绝恐龙和其他较弱物种所需的适应能力。
一次又一次，科学家们发现开花植物，从树木到草，都拥有多个基因组拷贝。确切的数量和时间仍在争论中，但大多数人认为最早的倍增事件发生在这一类群进化非常早期。它甚至可能促成了该谱系的成功。在大约 500 万年内，最终产生约 97% 的所有开花植物物种的谱系爆炸式地出现，而额外的基因组拷贝可能成为了这种快速扩张的催化剂。
但这种古老的倍增只是一个开始。最近的研究发现，许多物种的基因组中存在另一次更近期的倍增事件的证据。为了对这些事件进行年代测定，Fawcett 研究了几种基因组已完全测序的植物物种——拟南芥Arabidopsis、加州白杨、截叶三叶草、普通葡萄藤和水稻——以及许多其他我们拥有大量遗传数据的物种，包括棉花、番茄、生菜、加州罂粟和美国白蜡。
Fawcett 利用这些序列构建了这些不同物种的家族树。他使用已知的进化分裂来为树的分支定价，然后利用这些信息来测定各种物种近期基因组倍增的年代。
几乎所有情况下，从水稻到番茄再到棉花，开花植物都显示出在 6000 万到 7000 万年前出现了基因组倍增的高峰——这个时期恰好与地球最近一次大规模灭绝相符。虽然 1000 万年对我们来说似乎很长，但从地质学上看，它只是短暂的一瞬。在小行星撞击真正引发灭绝事件很久之前，世界气候就已经在改变，而且撞击的余波也持续了很长时间。
Fawcett 认识到，对这些事件进行年代测定可能是一门不精确的科学，但他认为围绕这一时期的日期聚集是重要的，不太可能改变。只有拟南芥和白杨不符合这个狭窄的时间范围——它们最近的基因组倍增分别发生在约 4300 万年前和 4800 万年前。
就拟南芥而言，Fawcett 引用了另一项研究，该研究表明，这种备受遗传学家青睐的物种在过去 7000 万年中曾两次复制了其整个基因组。也许本研究只捕捉到了最近一次事件。就白杨而言，它的树木家族倾向于进化非常缓慢，这可能意味着 Fawcett 的方法低估了其最近一次全基因组倍增的年代。
在 KT 界限期间，地球的环境发生了剧烈变化。小行星碰撞产生的尘埃云会阻挡植物的阳光，导致地面温度骤降，从而阻止种子发芽。有大量证据表明，这些史前植物深受这些条件的影响。对化石花粉、孢子和叶子的研究表明，约 60% 的植物物种灭绝，其中包括“全球森林枯死”。大量腐烂的植被为真菌提供了养分，而真菌的数量在KT 界限时期激增。
Fawcett 认为，双基因组为某些植物谱系提供了优势，使它们能够度过环境剧变。一些研究表明，拥有多个基因组拷贝的植物更能适应不断变化的环境条件。多余的拷贝意味着植物对任何一个基因中有害突变的抵抗力更强。
但多余的拷贝远不止是相同的备份，它们还可以被重新用于新的任务，或在新的地点、新的时间使用。这种劳动分工可以非常迅速地建立起来，为植物快速适应新条件的能力——它们能更有效地利用其遗传资源。你可以在人工选择实验中看到这一点——在困难的环境（如寒冷或水分过多）中，棉花植物会将同一基因的不同拷贝分配给不同的功能。通过这样做，植物确保了两个拷贝都不是多余的；它们都迅速承担重要的角色并独立进化。
最后，拥有额外基因组拷贝的植物很难与其他只有一个拷贝的个体杂交，因此它们倾向于自花授粉并进行无性繁殖。在种群数量锐减、配偶稀缺的环境中，这实际上可能是一种优势。
所有这些优势共同作用，为多倍体植物在严酷的世界中提供了宝贵的优势。也许进一步的基因组倍增将为一些植物在 21 世纪地球快速变化的气候中提供优势。
有迹象表明这可能会发生。北极圈是多倍体植物的避风港，有证据表明，那些拥有多个基因组拷贝的植物比只有一个拷贝的植物更能成功地殖民冰川消失的地区。最近，约克工业荒地被一种新植物物种——约克千里光——所殖民，该物种是由牛舌草和普通千里光杂交形成的多倍体杂交种进化而来的。
参考文献: PNAS doi:10.1073/pnas.0900906106 本周发表
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