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2.7億年前就出現在地球上的“活化石”銀杏長壽是多個因素綜合平衡的結果

2.7億年前就出現在地球上的“活化石”銀杏長壽是多個因素綜合平衡的結果

2.7億年前就出現在地球上的“活化石”銀杏長壽是多個因素綜合平衡的結果

(神秘的地球uux.cn報道)據科技日報(記者 過國忠 通訊員 吳錫平):銀杏不僅生命力頑強,還是我們熟知的“活化石”。研究發現,銀杏長壽的秘密主要有兩方面原因:一是樹干形成層干細胞不進入衰老階段;二是樹體的抗性超強。

最近,揚州大學銀杏研究團隊、北京林業大學林金星團隊和林木分子設計育種高精尖中心合作,發現銀杏古樹長壽并非某單一的長壽基因調控,而是生長與衰老過程中多個因素綜合平衡的結果。該研究成果近日在《美國國家科學院學報》在線發表。

銀杏不僅生命力頑強,還是我們熟知的“活化石”,它在地球上已經存活了數億年,那么到底是什么原因使得銀杏樹能夠如此長壽?近日,科技日報記者采訪了科研團隊相關專家。

經歷大滅絕、被子植物崛起 銀杏2.7億年屹立不倒幸存至今

從事銀杏研究20多年的揚州大學教授王莉告訴科技日報記者,在銀杏等裸子植物出現之前,陸地上主要分布著早期維管植物,例如石松綱、楔葉綱、真蕨綱、種子蕨、科達目植物,以及種子植物的祖先——前裸子植物等。二疊紀時期,以種子繁殖的裸子植物因適應性更強,繁殖擺脫了水的限制,開始興旺起來,逐漸取代了蕨類植物的優勢地位。

“根據已發現的化石證據顯示,銀杏等早期裸子植物至少在2.7億年前就已經在地球上出現,但需要說明的是這些早期的化石種是現存銀杏所在銀杏目里的近緣祖先種,并不是現存的銀杏。”王莉說。

大約2.52億年前,地球生物圈經歷了一場名為“二疊紀-三疊紀大滅絕”的歷史事件。化石記錄表明,絕大多數海洋生物在這場浩劫中消失,陸生動物也被摧毀將近一半,地面上的植物紛紛死亡。

距今1.4億年前,自然的新寵——被子植物突然出現,開始吞噬裸子植物的生存空間。

揚州大學銀杏研究團隊介紹,裸子植物都是木本植物,生命周期較長、生長較慢,有性生殖一般都是通過風媒傳粉,傳粉效率低。而被子植物生長期短、生長快、傳粉方式多樣,大部分被子植物世代短,在相同時間周期內,細胞染色體聯會重組、雜交、遺傳變異等機會更多,導致物種進化快。

特別是大量被子植物演化出了與動物協同進化的關系,如提供花蜜給傳粉昆蟲、成熟果實吸引鳥類取食等等,大大提高了選擇進化效率,使得被子植物多樣性大暴發,能快速占領各種生境空間,以及能在氣候變化中更快地適應等。

不僅被被子植物擠壓生存空間,距今6500萬年前的白堊紀-第三紀滅絕事件又給了裸子植物沉重的一擊。這次滅絕事件不但使恐龍團滅,更是差點蕩平陸地上的高大樹木,不幸的是,裸子植物基本都是高大的樹木。

在這一連串的打擊下,銀杏成了銀杏科銀杏屬唯一幸存下來的孑遺種。“盡管在侏羅紀、白堊紀時期,銀杏家族繁茂,化石顯示當時銀杏科有大量銀杏近緣種,但經過第三紀和第四紀冰期,陸續滅絕,這些近緣種的滅絕顯然與地球氣候變化和冰期有關。”王莉說,而現存銀杏是因為有部分種群局部分布在中國未被冰川覆蓋的諾亞方舟地區(云南、四川、湖北等地),因而得以幸存下來。“其實,不僅僅是銀杏,還有一些裸子植物例如水杉、銀杉、巨杉等都存活了下來。原因一方面有局部地理位置的幸存者效應,另一方面也跟這些物種較強的抗性和適應性有關。”

干細胞不衰、抗性超強 是銀杏“永葆青春”的重要原因

幾乎所有多細胞生物都無法逃避衰老,并最終導致個體死亡。人和動物的衰老被認為主要與端粒損耗、DNA損傷、DNA突變積累、表觀遺傳改變等因素有關,壽命一般只有幾十年,最長也僅100多年。然而與動物不同,自然界中,一些樹種年齡可達幾百甚至上千年依然生長旺盛,但其長壽機制卻一直不清楚。

揚州大學銀杏研究團隊、北京林業大學林金星團隊和林木分子設計育種高精尖中心合作研究發現,銀杏長壽的秘密主要有兩方面原因:一是樹干形成層干細胞不進入衰老階段;二是樹體的抗性超強。

很多植物例如很多一年生農作物,一旦開花結果,就開始進入衰老階段,最后導致個體死亡,也就是說死亡是物種個體生長發育中預先設置好的默認程序。絕大部分多細胞生物都會這樣,就像人到老年,各種器官組織就會不可避免地進入老化一樣。但研究人員發現600多年的銀杏古樹,盡管干細胞分裂變慢了,但并沒有老化跡象,這些古樹干細胞中,所有跟老化相關的生理和分子指標都與20多年樹齡的樹沒有顯著差別。這種干細胞不斷的持續分裂能力,是銀杏永葆青春的重要原因之一。

同時,銀杏體內抵抗逆境、病蟲害和病菌的R基因數量遠遠多于其他物種,木質素單體、類黃酮和芪類化合物代謝通路的基因數量和表達在銀杏古樹中也沒有下降,這些具有特殊保護功能的代謝物在古樹中的累積效應,大大增強了樹體的抗性。揚州大學銀杏研究團隊認為,銀杏抗性基因多,特別是抵抗各種極端環境的能力很強,這是銀杏能夠在各種滅絕事件幸存下來的主要原因。此外,持續合成木質素等物質增加了樹干的密度和強度,對不斷增大的樹體起到支持作用。這就好比人類,雖然進入老年,但免疫能力、骨骼肌肉能力依舊很強大,從而大大延長了壽命。

“該研究發現銀杏古樹長壽并非某單一的長壽基因調控,而是生長與衰老過程中多個因素綜合平衡的結果,對揭示樹木在個體水平上的生長與衰老調控機制具有重要科學意義。”王莉說。

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銀杏“長壽”要感謝人類馴化栽培

其實在銀杏漫長的生涯中也遇到過生存危機,幸運的是它們遇到了人類。

大約500萬年前,銀杏在北美洲滅絕;大約260萬年前,銀杏在歐洲滅絕;從260萬年前開始,地球陸續經歷了多次冰河時期,冰期后孑遺中國的銀杏數量非常稀少,和其他瀕危物種一樣也岌岌可危。

直到后來,被人類馴化之后,銀杏才真正地躲過了滅絕的命運。專家認為,銀杏能夠存活到現在和人類的馴化栽培,有著直接關系。

正是由于銀杏抗性基因多、生命力頑強,特別是對人類來說有著很多價值,因此人類選擇銀杏來馴化栽培。銀杏有觀賞價值,其葉形奇特、樹姿優美,是重要的觀賞樹種;銀杏有食用、藥用價值,其種子可食用,銀杏葉還是治療心血管類疾病藥物的主要原料。目前,許多地區種植銀杏作為經濟樹種。

銀杏是幸運的,通過人類的引種,銀杏在全球的數量得以迅速增加。現在銀杏的分布已經非常廣泛,成為世界各地不同地區道路、公園和景區的重要風景樹種。




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