蕨类植物很奇怪。它们像其他森林植物一样是绿色和多叶的,但它们的繁殖方式更像蘑菇——释放孢子云。许多物种不需要伴侣来受精,不像它们大多数有种子的表亲。最近的研究估计蕨类植物是从种子植物大约4亿年前。

而且蕨类植物的基因组大得令人困惑。然而,尽管蕨类植物有着独特的生理特征以及它们与种子植物的关系,这些奇怪的基因组在很大程度上被研究人员忽视了。直到最近,与超过200个开花植物基因组相比,只有两个(相对较小的)蕨类基因组被完全测序。现在,第一个完整的蕨类植物基因组已经成功测序——蜘蛛猴蕨类的基因组——这暗示了这些奇特的植物是如何积累了如此大量的基因。

“如果你想了解种子或花的起源,蕨类植物是一个非常重要的比较,”康奈尔大学博伊斯汤普森研究所的蕨类生物学家、这项新研究的合著者李费为说自然植物。“但我真正想知道的是,为什么蕨类的基因组这么大。”

李的研究小组发现,这种棕榈树形状的蕨类植物有超过60亿对DNA碱基对,比开花植物的平均基因组多出10亿对(相比之下,人类大约有30亿对)。新的分析表明,1亿多年前,这种蕨类的一个祖先复制了它的整个基因组——这是植物中常见的复制错误,李说。

但目前尚不清楚为什么桫椤会保留如此多的遗传物质;大多数开花植物在复制后的基因组都变薄了。这种物种可能会囤积染色体,李说:“我称之为近藤麻理惠假说。染色体能给蕨类植物带来快乐,但不能给种子植物带来快乐。”他说,对于无性繁殖的植物来说,大基因组可以增加有益突变发生的机会,同时缓冲不受欢迎的突变。蕨类植物寿命也很长,所以它们进化得更慢,这可能是保留遗传物质的原因。

德国Göttingen大学的植物进化生物学家Jan de Vries说,利用完全测序的基因组,研究人员还发现了哪些基因构建了蕨类植物不寻常的树干状茎,这对研究茎类植物的关键特征是如何进化的有价值的见解,他没有参与这项研究。“进化是一个修补匠。阐明什么可行的分子程序进化告诉我们什么是生物学上可能的,以及限制在哪里,”他说。“利用这些知识,我们可以开始为合成生物学的目的修补自己。”