最早的種子植物出現在3.6億年前的泥盆紀，然而直到數千萬年之后的石炭紀末期，種子植物才開始崛起，并逐漸在二疊紀末期取代蕨類植物成為地球的霸主，地球也因此進入中生代，也就是傳說中的“恐龍時代”。然而，種子植物為什么會在古生代晚期開始崛起仍然是一個未解之謎。

近日，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心與湖北大學生命科學學院合作，首次從特化細胞壁進化的角度揭示了種子植物崛起的奧秘，這一成果近日在國際學術期刊《自然·植物》發(fā)表。

根系是植物吸收和運輸水分及礦質營養(yǎng)的關鍵器官，在植物的演化過程中扮演重要作用。早在種子植物形成之前，根就在石松植物、蕨類植物和種子植物的共同祖先中出現了，但其結構和功能一直處于不斷進化之中。科研團隊利用18個不同進化節(jié)點中的代表性植物物種，系統(tǒng)地開展了根系內皮層凱氏帶和木栓質片層起源的研究。

凱氏帶和木栓質片層都是植物的內皮膚，可以防止營養(yǎng)和水分的散失以及有害物質的侵害。其中凱氏帶是封閉細胞間隙的，相當于瓷磚之間的“美縫劑”，由于植物有細胞壁，間隙較大，因而需要“美縫劑”來填充。而木栓質片層是覆蓋在細胞上的，就像人類的皮膚一樣，兩者合作共同維護植物體內的水分和營養(yǎng)環(huán)境。

研究發(fā)現，凱氏帶存在于包括石松類、蕨類、裸子植物以及被子植物在內的所有維管植物中，而木栓質片層則僅存在于包括了裸子植物和被子植物在內的種子植物中。這些證據表明凱氏帶起源于所有維管植物的共同祖先，而木栓質片層則在更晚的種子植物共同祖先中才被進化出來。這一結果推翻了植物學界長期以來木栓質片層和凱氏帶共同起源的觀點，為研究木栓質片層的進化提供了新的視界。

木栓質片層提高了植物在干旱情況下的水分運輸效率和耐旱性

經過研究，科研團隊提出了一個全新的種子植物崛起模型：石炭紀濕潤的氣候下，沒有木栓質片層的蕨類植物水分和營養(yǎng)吸收效率更高，更能適應當時的環(huán)境，因此更為繁榮；而在石炭紀晚期開始的干旱氣候下，進化出了木栓質片層的種子植物具備了更高效的水分運輸效率，干旱適應能力更強，從而能夠逐漸取代蕨類植物，成為地球的霸主。

該研究不僅揭示了凱氏帶和木栓質片層的起源之謎，并且從一個嶄新的角度首次證實了木栓質片層的出現成為促進種子植物的崛起驅動力。此外，研究發(fā)現了木栓質片層在植物應對干旱等逆境脅迫中發(fā)揮的重要作用，對提高植物的抗旱性、解析植物耐鹽耐旱機制以及研發(fā)抗旱新品種等方面具有重要意義。