百岁兰的永远2叶无限生长的秘密

在浩瀚的沙漠中，百岁兰好似一艘孤独的母舰，缓慢的在太空中漫无目的的生存。陪伴他坚守千年岁月的，就是两片缓慢生长的叶片。

百岁兰

百岁兰属于买麻藤门（Gnetophyta）。这是一个有着近似被子植物形态的裸子植物类群，包含三个科，买麻藤科（Gnetaceae），麻黄科（Ephedraceae），以及百岁兰科（Welwitschiaceae），百岁兰科下现存仅有百岁兰一种。百岁兰与买麻藤的关系更为接近，他们在一亿年前开始发生分化，彼此选择了不同的演化道路。根据曾经在巴西出产的来自白垩纪的化石，Cratonia cotyledon，说明在早白垩纪的北冈瓦纳，百岁兰类群还有着不同种的物种，且有着和今天不同的形态，但除今天看到的百岁兰外，都已经灭绝了。

百岁兰居住的地方，也即如今的考克兰沙漠。这片区域在过去5500到8000万年中，一直保持着干旱或者半干旱的环境。由于本格拉上升流系统（Benguela Upwelling System）的影响，近1000万年来，这种干旱的环境加剧了。

在漫长的地质历史进程以及炎热干旱的气候下，百岁兰这个物种存活了下来。

百岁兰的生存策略与其他的植物有着怎样的差异，他又如何在如此极端的气候中存活，依靠着两枚不停滞生长的叶片，保持上千年的寿命的呢？

为了回答这些问题，研究团队通过百岁兰的全基因组测序和分析，尝试解析这艘“沙漠战舰”的方方面面。

长存秘诀——“不变”的哲学

如果说百岁兰是一艘航行的母舰，那么基因组（Genome），作为一个严谨且森严的管理机构，享有整艘舰船最高的指挥权限，负责保持百岁兰“机体”的运转。

基因组有着不同的职能部门，有的负责植物正常的生长发育，有的负责杀死那些不受欢迎的入侵微生物，有的负责加厚外在防御以抵抗环境的胁迫。

基因组的精密程度，决定了物种运作机制的复杂程度。使得基因组变得复杂的最简单粗暴的方式就是——频繁发生于物种的演化历史中的，全基因组复制事件（WGD）。加倍的基因组，使得物种多出了一整套调节生长发育和适应恶劣环境的装备，便于重新组合成适合的生存策略。因此，主流学说认为，WGD对于物种形成、新性状产生和环境适应，都有很重要的作用。

大约在8600万年前，百岁兰发生了一次WGD。这次事件是买麻藤和麻黄都不具有的。突然丰富的基因组，给了百岁兰以适应环境的新选择。但，作为核心机构的基因组的突然扩张，相当于成倍的产生了原本执行相同功能的部分，相互之间也开始存在冲突，同时也带来严峻的挑战——基因组内部的动荡。

不变，对于百岁兰来说，是最好的生存秘诀。由于百岁兰在极端的环境中，只能保持平稳运作，缓慢生长，基因组上微小的改变可能都会是致命的。因此，百岁兰需要抑制住基因组中的不确定因素，保证基因组的稳定。在漫长的进化历程中，百岁兰的基因组减少到了7G的大小，这比一般裸子植物的一半还少（平均为18G），在发生复制事件后，百岁兰不断的清除着基因组中多余的部门，使得整个基因组变得精简。

威胁着百岁兰基因组稳定性的，还有一类叫做LTR的元件。

LTR属于基因组的非编码区，是一类转座元件。他们不断的在基因组中活动，可能引起基因的丢失、产生以及突变。对于一般植物来说，这些家伙的活跃可以增加基因组的丰富程度，促进物种的形成和分化。

但对于百岁兰来说，LTR活性太高，则是一种潜在的威胁。经过评估，大约在100-200万年前，百岁兰基因组中发生了一次大规模的插入事件，产生了大量的LTR元件。因此，如何维持基因组的稳定，也就是百岁兰应该思考的。

百岁兰选择的策略是——甲基化。基因组通过甲基化，能够沉默对应的基因组区域，保证基因组的稳定性。经过测序，百岁兰基因组中有大量的甲基化信号。果然，其中97%位于非编码区，又有89%位于转座元件中。

对甲基化进程来说，一个被称为RdDM的部门，在基因组中起到核心的作用。RdDM即RNA-directed DNA methylation，RNA介导的DNA甲基化。这个部门中行使功能的基因，在百岁兰的基部分生组织中都有着很高的表达量，说明他们在此处的运转十分活跃。

经过比较，野外采样的百岁兰相比温室中的百岁兰具有更强的甲基化信号，而在同一个体中，基部分生组织的甲基化程度又高于叶片。这也说明，野外生存的百岁兰受到更强烈的环境胁迫，因此需要更好的稳定性；而基部分生组织相较于叶片而言，更需要获得甲基化的庇护。

这些甲基化信号，甚至可以传递给子代，给年幼的百岁兰关于祖辈高温胁迫的记忆，使得新生的百岁兰在年幼的时候就能够保有较强的抵抗高温的能力。这种与环境胁迫相关的甲基化信号可遗传的现象，被称为“epigenetic memory”，即“表观记忆”。这是母体在子代的基因组中所保留下来的记忆。

之前说到，加强对这些动荡的LTR的沉默，是维持干细胞以及未分化细胞内基因组完整性的方式。这也是使得百岁兰存活千年的秘诀。高比例的甲基化，显然是一种很好的控制手段，但这个负责甲基化的RdDM部门的“开销”确实不小，这对于本就“不富裕”的百岁兰母舰而言，是个较大的能源消耗。

百岁兰通过让甲基化部门在特点的位置进行作业，以降低整个项目的能耗。怎么做到的呢？

在百岁兰中，有个十分反常的现象：他的基因组GC含量很低，仅为29.07%（目前以报道的，还能够那么低的，就是兰科中有着奇异系统位置的布袋兰Calypso bulbosa，仅为23.9%），且在那些过分活跃的，不完整的LTR中，GC含量更低，且甲基化信号更强。

照理来说，GC含量特别高的区域，会有着更多可被甲基化的位点，但百岁兰之中则完全相反。百岁兰的甲基化倾向于发生在GC比率低，且不完整的LTR部分。

基因组DNA由ATCG四种碱基组成，其中GC之间相比AT有着更高的能量。虽然GC位点看起来能够提供更多甲基化的机会，但由于需要耗费更高的能量，百岁兰的甲基化更倾向于发生在AT密集的区域。因此，在全基因组复制后，百岁兰基因组在环境的选择压力之下，精简为一套稳定、高效、节能和控水的体系。

不断生长的叶片呢？

尚为幼年的百岁兰，真叶出现后，顶端分生组织就死掉了。只有基部分生组织保留了下来。这两片陪伴百岁兰一生的叶片就从这里生出。这两片叶子高纤维，如飘带一般，看起来就像一条条传送带。

基因组中，负责指示叶片从有限生长模式转换为无限生长模式的一类基因，称为KNOX1。研究发现，KNOX1在叶片的基部异常的活跃，或许是使得百岁兰的叶子能够一直生长下去的原因。此外，还有着另一个控制叶基部分生组织生长的部门——ARP基因。

对于普通植物来说，KNOX1在基部分生组织中执行任务，保证其能够不断生长；而ARP负责监督叶片——他们在叶基部，负责“催促”叶片的生长。然而，在百岁兰中，KNOX1和ARP两者来了个“梦幻联动”，ARP家族的成员ARP3、ARP4和KNOX1同时表达于整个基部分生组织，这也是在其他植物中没有见过的现象，这或许就是使得百岁兰叶片也进入无限生长模式的原因。

光有着“不停的长叶子”的信念，可没有切实的行动来得实际。这是个庞大的工程，也需要有更多的基因组部分以及基因家族参与其中。

首先是油菜素内酯BR，这东西被称为是植物体内的第六大激素，与细胞的增殖和分化有着直接的相关性。百岁兰的基部分生组织与叶片中都有大量与BR相关的基因工作着，且基部分生组织的确检测到了大量的BR。而这些BR也同时诱导了一些与胁迫抵抗，以及外界信号刺激相关的基因。BR在百岁兰叶片生长的过程中起到了关键的推动作用。

“慢”就是“快”

基因组中，一个基因家族的大小，有时候与他执行功能的重要性有着一定相关性。对于一些基因家族来说，他们的成员越多，力量就越大。MYB是一个很庞大的基因家族，这个家族的成员们广泛的渗透到基因组中各个职能部门，对于植物生长发育的方方面面起着重要作用。

MYB大家族的VIII小家族，关乎植物的生长、二次代谢、细胞增殖，以及逆境响应。

在VIII家族中，百岁兰的MYB11、MYB12、MYB111三个小家族的成员都发生了基因数量的增加。曾经在拟南芥中的实验说明，MYB11的过量表达，会减缓分生组织的生长以及降低细胞增殖的速度。因此，百岁兰通过MYB家族成员的特殊运作方式，使得叶片保持缓慢的生长速度——漫长且无限的叶片生长模式，保证百岁兰在漫长的岁月进程中，抵抗随时出现的糟糕天气。

逆境下的防御

叶片的存活，对于一生只有两片叶子的百岁兰来说是很重要的。

那些具有很长的寿命或能够在极端恶劣的环境下生活的植物，在演化旅程中，需要进行一场漫长的，与恶劣环境以及病原生物斗争的“军备竞赛”。

在百岁兰新长出的叶片基部，与果胶、木质素、纤维素以及多糖合成相关的基因十分的活跃，这些物质与植物叶片的机械强度有着最直接的关系。SAUR17、SAUR43和58基因家族成员与叶片的伸长以及高纤维化相关，他们在百岁兰基因组中都有着显著的扩张。这也说明，百岁兰基因组通过增加特定基因家族成员的数量和活跃程度，加强叶片的机械结构，保护他们免受食草动物以及风沙的破坏。

增强自身的“物理防御”，也要对潜在的“魔法攻击”慎之又慎。别忘了，荒漠中的高温也是致命的因素。

环境中的高温，使得植物体内的蛋白出现错误的折叠、变性以及聚集。在基因组中负责应对高温的主要部门，也就是HSP，热激蛋白了。在HSP基因成员的帮助下，植物能够在高温情况下维持正常的生根发芽。

百岁兰在基因组中，保留了大量的HSP中的CVI亚家族，其中的HSP20成员，有着大量的复制。百岁兰将这些HSP20成员安排在基因组中相邻的位置，以便他们能够以最高效的方式执行任务。

这些串联重复的HSP20基因，在百岁兰的基部分生组织和叶片中都有很高的表达量，且在前者有着更高的表达。说明对于基部分生组织的保护，可以说是百岁兰存活任务中的重中之重——在叶片受到大量破坏的情况下，百岁兰依然可以生存，但一旦基部分生组织受到了破坏，就很快会死掉了。

当然，不论防御再怎么全面，潜在的风险依然需要防范。即使身处安全的社会环境，也依然需要买保险。

基因组中，ClpP基因对于维持机体的正常运行起着保驾护航的作用。这个家族的成员，会帮助清除细胞中错误折叠、或受到损伤的蛋白，回收能量的同时，防止他们影响正常的代谢过程。同时，ClpP家族对于将前质体转变为能进行光合作用的健康叶绿体也起着重要作用。

一般来说，ClpP会更多的出现在年轻的叶片中，帮助他们在生长初期抵御一些环境的胁迫，也帮助他们组织一批有能力的叶绿体。但在百岁兰中，不论是年轻还是年长的叶片，ClpP基因都十分活跃。这也说明，在百岁兰的一生中，ClpP同时会活跃在叶片的各处，帮助百岁兰持有稳定的光合作用能力，以及抵御糟糕的环境。