微生物互作不僅參與植物生長與適應的全過程，也可能導致遺傳整合。來自微生物的水平轉移基因存在于所有主要植物類群，在輪藻和苔蘚植物中尤為顯著。這些水平轉移獲得的外源基因推動了陸生植物生理機制與結構特征的重要創(chuàng)新。

中國科學院昆明植物研究所黃錦嶺研究組長期從事水平基因轉移(horizontal gene transfer，HGT)與植物進化研究。近期，研究人員系統(tǒng)論述了微生物互作與遺傳整合的關系，并基于最新數(shù)據(jù)闡釋了水平轉移獲得的微生物基因在陸生植物演化中的作用。研究提出：微生物不僅是植物的生態(tài)組成要素，更是新遺傳物質的主要來源，陸生植物演化代表了植物對微生物資源持續(xù)利用的過程。

對早期陸生植物而言，從水域遷入陸地意味著獲得開放的生態(tài)位、充足的二氧化碳和陽光資源，以及競爭者的大量減少。盡管這一轉變?yōu)橹参镌谛颅h(huán)境中的快速演化創(chuàng)造了條件，但劇烈的生境變遷也帶來脫水、強紫外線輻射和溫度波動等嚴峻挑戰(zhàn)(圖1)。所幸的是，植物與其它生物一樣，在漫長的演化歷史中早已學會與微生物共存并加以利用。微生物作為陸地環(huán)境的最早定居者，對后登陸的綠色植物的生存及演化提供了重要幫助。許多微生物也與植物形成共生整體(即全息生物體)，通過代謝能力共享甚至垂直傳播實現(xiàn)整合。因此，微生物不應僅被視為生物環(huán)境組分，而應理解為植物和其他多細胞真核生物的重要資源。

微生物作為重要資源的觀點同樣體現(xiàn)在它們?yōu)橹参锾峁┻z傳物質的過程中。細胞器(線粒體和質體)基因向細胞核的轉移(即細胞內基因轉移，intracellular gene transfer，IGT)進一步鞏固了這種整合。水平基因轉移作為跨物種的基因傳遞現(xiàn)象，本質上是一個開放式的過程，意味著生物體可能通過無限時間不斷從其他物種獲取基因(圖2)。最新基因組分析顯示植物(尤其是苔蘚和輪藻)存在大量水平轉移而來的微生物基因，并且這些基因在陸生植物的創(chuàng)新性狀形成中起到關鍵作用(圖1)。因此，微生物資源的遺傳整合應被視為植物演化的核心驅動力之一。盡管微生物-植物互作已有大量研究，但遺傳整合在植物演化中的角色仍亟待深入探索。隨著相關研究領域的快速發(fā)展，研究者有望通過協(xié)同努力更深入理解微生物基因在陸生植物演化中的作用。

相關研究成果以Land plant evolution: from microbial interaction to horizontal gene transfer為題，近日在線發(fā)表于植物學知名期刊Trends in Plant Science。中國科學院昆明植物研究所黃錦嶺研究員為論文的第一作者兼通訊作者，王洽副研究員參與了此項研究工作。研究得到國家自然科學基金、中國科學院青年創(chuàng)新促進會、云南省“興滇英才支持計劃”、云南省基礎研究計劃等基金項目的支持。

圖1 植物演化與水平基因轉移

圖2 植物基因轉移的機制