本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
科学家们在开始探究新色素的家谱之前，就知道它很奇怪。这种超级蛋白是独立的蛋白质——红光感应植物色素和蓝光感应光敏色素——的结合体，它将两个已经很棒的部分结合成一个奇妙的整体，帮助植物向昏暗的散射光生长。这是一种在昏暗的森林地面上生存的巧妙适应方式，一种承认的方式：是的，我知道我不是森林里最高的树。但我要利用我所拥有的，而且我要做得非常出色。
直到最近，人们只在地球上的两个地方知道新色素：一种绿藻（用委婉的说法来说就是——池塘浮渣）和一组喜阴蕨类植物。但是池塘浮渣和蕨类植物之间至少隔着 4 亿年的进化历程，甚至可能更久。这是一个问题。
关于支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保关于塑造我们今天世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
这是一个问题，因为只有三种情况可以解释这一点，而且所有情况似乎都不太可能。首先，新色素存在于池塘浮渣和蕨类植物的共同祖先中，但已从除这两者之外的所有其他植物中丢失。其次，新色素在这两个类群中独立进化。最后，池塘浮渣的新色素基因以某种方式被吸收到蕨类植物的基因组中。
最后一种选择称为水平基因转移 (HGT)，尽管细菌已将其提升为一种艺术形式，但地球上的其余生命似乎一直不愿与陌生物种交换基因。外来物种 DNA 就像一盒巧克力……嗯，您知道剩下的。
事实证明，假设 #2 是正确的，但故事仍然更奇怪。蕨类植物的新色素不是由蕨类植物发明的。它们是偷来的。只是不是从池塘浮渣那里偷来的。
一些线索暗示了这一点。在蕨类植物中，新色素分布广泛，但并非普遍存在。两个早期进化的蕨类植物目——紫萁目和海金沙目——完全缺乏它。但在桫椤目和真蕨目中却很丰富。这两个较晚的类群是在被开花乔木（其阔叶会抢夺光线）支配的森林出现在恐龙时代末期和小行星撞击事件之后进化而来的。科学家们推测，新色素可能帮助这些蕨类植物在地球上新的、可能更黑暗的森林中繁荣生长。但是蕨类植物从哪里获得它们的新色素呢？没有人知道。
来自欧洲、北美和中国的科学家团队在杜克大学的李 Fay-Wei 的领导下，着手找出答案。他们搜查了代表植物生命谱系的 474 种植物和藻类的遗传物质。科学家们搜索并比较了新色素、光敏色素和植物色素的 DNA 序列。当进行比较时，这些基因中突变的模式讲述了一个关于谁与谁相关的故事，以及它们的祖先大约何时分道扬镳。
绿藻新色素确实是从蕨类植物新色素独立进化而来的。但出乎意料的是，新色素不仅出现在蕨类植物和池塘浮渣中，还出现在与苔藓相关的古怪的小型植物类群中，称为角苔。这意味着新色素既独立进化了两次，而且*还*经历了水平基因转移。蕨类植物的新色素是从角苔新色素进化而来的，比较序列的计算机程序计算出，支持这一点的证据非常有力。在被纳入新色素之前，角苔光敏色素的某个时间点丢失了所有非编码内含子——遗传密码的一部分，通常在从 DNA 制造蛋白质时被切除——这种内含子的丢失在蕨类植物的新色素中也清晰可见。虽然这不是转移的唯一证据，但它确实是非常有力的证据。
在这张论文中的图中，您可以看到，在顶部，是蕨类植物新色素的结构，在底部，是通过比较其序列与几种其他植物类群中新色素、光敏色素和植物色素的基因而构建的蕨类植物新色素的家谱树。
角苔是如此默默无闻的植物，以至于即使是我也从未见过，尽管这可能更多是由于我自己的无知，而不是我从未与它们的微小、蔓生的身影擦肩而过。像苔藓和地钱一样，它们属于地球历史上早期进化出的一类陆地植物。这些植物缺乏其余陆地植物所拥有的那种强大的内部管道系统（植物学家称之为“维管束”，拥有它的植物被称为“维管植物”或“管束植物”）。
已知的角苔物种只有大约 100 种。从表面上看，它们的身体类似于地钱，地钱因其形状略像肝脏的裂片状身体而得名。但不像地钱（它们有自己的一系列奇异的生殖结构），角苔孢子是从长而高的角中散播出来的，这些角从茎到尖裂开。内部是称为弹丝的纤维，它们会根据湿度变化而弯曲（我今年早些时候写过结构不同但功能相似的问荆弹丝）。当时间合适时，它们的扭曲有助于将孢子从巢中弹出。
遗传证据表明，新色素从角苔跳到蕨类植物大约发生在 1.33 亿至 2.29 亿年前，比先前发表的蕨类植物和角苔的最后共同祖先分裂的估计时间晚约 2 亿年。由于水平基因转移根据定义发生在类群分化之后，因此这些日期与 HGT 假说一致。
植物学家们意识到，植物物种之间的水平基因转移并不像以前认为的那么罕见。cox1 “归巢内含子”已从真菌蠕虫般地进入植物基因组 1000 多次。但这并没有在植物中产生任何功能差异。新色素确实产生了功能差异，并且似乎是这种现象的第一个重要例子，但可能不是最后一个。
卡尔·齐默在《纽约时报》的专栏中，有些挑衅性地——我认为也是正确的——指出，这种对外来 DNA 的随意态度可能与现代基因工程师将基因从一种生物转移到另一种生物以制造转基因生物 (GMO) 的做法没有什么不同。尽管许多人以其“不自然”为由谴责这种做法，但对于这些蕨类植物来说，这显然是自然且有用的。事实上，它是如此自然和有用，以至于它们已将其变成一种习惯。
当科学家们构建了在蕨类植物中发现的新色素基因的家谱树，并将其与基于蕨类植物其余 DNA 的蕨类植物家谱树进行比较时，他们又一次震惊了：这两棵树看起来完全不同。如果单一的祖先蕨类植物获得了新色素，然后以通常的（垂直）方式将其传递给其后代，那么您会期望这两棵树是相同的。但它们并非如此。这就是它们——对于文本的大小我深感抱歉。颜色在两侧之间对应，应该可以帮助您理解图像
显然，蕨类植物——即使是远亲——也一直在交换新色素，就像它是一种社会疾病一样。这将解释您在左上方看到的混乱的新色素遗传模式。
这怎么可能呢？cox1 “归巢内含子”——它本身已从真菌蠕虫般地进入植物基因组 1000 多次——似乎得到了称为转座子的序列的帮助，这些序列促进其在植物之间的移动。转座子是 DNA 片段，包含使序列自身提取并在另一位置重新插入的酶的基因。通常，新的位置是相同的生物。在这种情况下，新的位置可能是一个全新的物种。
Li 等人推测，新色素可能与其自身的转座子样移动元件相关联，这些元件促进物种之间的移动。如果情况是这样，那将使这种特定基因比其他 DNA 更容易传播。
但可能还有另一个原因使蕨类植物特别适合跨文化基因交换。蕨类植物过着双重生活。当您在森林中看到一棵长着叶状体的蕨类植物时，您看不到的是它的小而不起眼的孪生兄弟。这个孪生兄弟——配子体——是蕨类植物的形式，它包含其所有 DNA 的一个副本，而您所知道的蕨类植物有两个副本（就像您和我一样）。所有植物都维持着这种双重生命周期，称为“世代交替”。但只有蕨类植物和另一类称为石松类植物的植物能够独立生存。
这张照片中绿色事物的下半部分是微小的、薄纱般的蕨类植物配子体——您看不到的蕨类植物
从它上面发芽的是一棵新的叶状体蕨类植物。这棵幼蕨类植物是从一个卵子中生长出来的，这个卵子是由蕨类植物精子受精的，蕨类植物精子必须游过植物，或者被落下的雨滴发射到那里才能到达那里。在受精之前，制造精子和卵子的结构裸露地暴露在小植物的身体上。配子体蕨类植物通常生长在与苔藓和角苔等植物相同的潮湿、低矮的栖息地中，并且可能经常发现自己与彼此亲密地生活在一起。像蕨类植物一样，苔藓和角苔也会产生游泳的、远征的精子，这些精子必须协商外部世界才能找到它们的目标。作者假设，由于蕨类植物的种系如此暴露，并且与苔藓和角苔的可比结构如此密切接触，谁知道会发生什么疯狂的事情呢？
参考文献
Li F.W.、Villarreal J.C.、Kelly S.、Rothfels C.J.、Melkonian M.、Frangedakis E.、Ruhsam M.、Sigel E.M.、Der J.P. & Pittermann J. & 从苔藓植物到蕨类植物的适应性嵌合光感受器的水平转移，《美国国家科学院院刊》，DOI：10.1073/pnas.1319929111