Nature子刊：植物是怎样进化到能吃肉的

导语

研究人员发现，来自世界各地的食肉植物的消化液竟然惊人的有着同一份分子配方, 即使它们已经被分隔开并独自进化了数百万年。

世界各地的食肉植物, 包括澳大利亚猪笼草 (如图), 都不约而同的选择了一些在防御过程中发挥功能的蛋白来来消化它们的物。

任何不幸降落在澳大利亚猪笼草那如口器一般的叶子上的昆虫将会遇到可怕的结果。这些植物的猎物将会被引入一个长的像水罐一样的容器的器官内，在那儿，这些受害者会被一些由特定酶混合组成的消化液消化掉。

现在, 通过研究猪笼草的基因组, 并将它消化昆虫的液体和其他食肉植物消化液相比较 , 研究人员发现，这些来自世界各地的食肉植物的消化液竟然惊人的有着同一份分子配方, 即使它们已经被分隔开并独自进化了数百万年。

“我们是真正意义上在观察一种典型的趋同性进化,”共同领导这项研究的来自纽约布法罗大学植物基因组的科学家维克多•艾伯特说。他将这项研究结果发表在了 2 月 6 日的《自然生态与演化》上，该期刊于 2017 年 1 月新增为 Nature 子刊。

食肉植物是从开花植物的家族体系中发展而来。澳大利亚猪笼草 (Cephalotus follicularis)——原产于澳大利亚西南部一片的海岸线，和其他在美洲或者东南亚发现的猪笼草相比—他们可能是杨桃 (Averrhoa carambola) 的近亲。这表明食肉植物很可能是反复进化而来, 为了应对它们生存的土壤中可能存在的营养元素的稀缺, 艾伯特说，“它们试图解决这些营养元素稀缺的办发就是捕获猎物从他们体内来获得。”

澳大利亚肉食类的捕手植物产生致命的“捕手”叶——它们既有长的跟咧嘴笑一样的叶子也有扁平的叶子。对这些物种经过基因组测序以后，艾伯特的团队意识到捕手样的叶子和它所在植物的其他叶子或者非肉食植物的叶子之间激活的基因是不同的。这些基因中有能产生淀粉和糖有助于产生的花蜜进而引诱昆虫死亡，也包括那些能够生成蜡状物质使得昆虫很难逃离的开捕手叶的基因。

为了探查这些捕手植物是怎么吃掉它们的猎物的，研究人员从猪笼草和其他数种肉食植物中取样，并用质谱的方法共鉴定出了 35 种蛋白。其中许多相关的蛋白是那些开花植物用来抵抗病原体的。例如, 植物通常会产生一些酶, 用来分解一种被称为几丁质的聚合物，这些聚合物通常位于真菌的细胞壁外，以此来地域真菌。但是艾伯特怀疑澳大利亚捕手植物和其他食肉植物将这些酶转化去消化昆虫的外骨骼, 通常也是由几丁质构成。

在新的分析中, 艾伯特和他的同事们还发现, 在和食肉植物相关联的那些植物中, 包括数种捕手植物, 它们组成消化液的蛋白质的基因有一个共同的进化起源。更重要的是, 其中一些基因于不同的物种中，却在独立进化的过程中，以相似的方式改变着这些酶的形状。虽然现在还没有证据，但研究人员们却认为这些突变也许能够帮助这些酶共同处于消化液时更稳定的存在。

研究人员已经意识到趋同进化的食肉植物的重要性, 亚伦•埃里森说, 他是一位生态学家，在马萨诸塞州的皮尔特莎母的哈佛森林区工作。但仍然要强调这项新研究的重要性, 因为它展示了这种趋同性可以在分子水平上发生。

如果一个植物不能够引诱到它的第一只昆虫那么获得吃昆虫的能力似乎也没什么用, 艾伯特谈到，所以它们进化出了各种不同的方案来解决这个问题。捕蝇草诱捕猎物, 而狸藻类植物使用小吸盘固定他们的受害者，查尔斯·达尔文在他的 1875 年的书《食虫植物》里详细的记述了, 甚至还画了毛毡苔用它的触手去别住昆虫的图。“这也就难怪达尔文写了一整本书来记录食肉植物,”艾伯特说。

参考资料：

1.Genome of the pitcher plant Cephalotusreveals genetic changes associated with carnivory. Nature Ecology & Evolution; doi:10.1038/s41559-016-0059

2.How plants evolved into carnivores. Nature; doi:10.1038/nature.2017.21425

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