我国学者发现地球最早的苔藓虫化石
日前，西北大学早期生命研究团队张志飞教授指导的博士研究生张志亮在陕南镇巴县小洋镇小洋剖面灯影组西蒿坪段的碎屑灰岩中，通过酸蚀处理方法，发现了几个毫米级的微体化石。经课题组前期研究，并联合澳大利亚麦考瑞大学教授、西北大学兼职教授格伦·布洛克（Glenn Brock），并与中国科学院南京地质古生物研究所、英国自然历史博物馆、瑞典自然历史博物馆等国内外学者合作研究，认为这些微体化石代表地球已知最早的苔藓动物（苔藓虫）化石。
该研究10月27日以长文形式发表在《自然》杂志。
最早苔藓动物复原图 张志飞团队供图
苔藓动物（Bryozoa）是具有触手冠的真体腔动物，是一类水生群体固着底栖动物，多为海生，连片群居，呈现树枝状，外形酷似苔藓植物，是一种典型的“草根动物”。
寒武纪大爆发是地球上已知最为宏伟的两侧动物生命爆发事件，在距今5.3亿年前的地球海洋中，突然爆发性出现了包括脊椎动物在内的几乎所有的现生动物的早期祖先代表。其中包括了大型的捕食者和各种奇异的动物类型，在寒武纪特异型化石库发现的化石中保存得栩栩如生。但地质历史中非常重要的动物门类—苔藓动物门，在寒武纪却一直缺乏确凿的化石记录。但4.8亿年的奥陶纪之后苔藓虫化石极为丰富，因此，它们也被认为是奥陶纪大辐射的产物。
化石扫描细节 张志飞团队供图
在研究中，张志飞团队在国家自然科学基金的资助下，利用扫描电镜、X射线断层扫描技术分析，发现这些化石呈现双向薄板状网状，背对背两面覆有表皮细胞分泌几丁质虫室。虫室缺乏明显的矿化，纵向5列或7列交替排列，显示有清楚的模块化几何特征，清晰、可辨，两侧对称，整体外形呈圆椎状。化石研究表明两侧动物群落精致的几何分布模式和严格的等级制度起源于5.3亿年前，是寒武纪大爆发重要的生态创新。
经过52个特征、18个类群和2个外群的最大简约法和贝叶斯分支系统学分析研究，表明该化石苔藓动物代表化石和现生苔藓动物的基干类群，为最原始祖先类型。
苔藓动物表面构造示意图 张志飞团队供图
据介绍，此项研究将苔藓动物门的地质历史从奥陶纪前推到寒武纪大爆发早期，将苔藓动物的地质历史前推至少5000万年。研究发现，两侧动物模块化生长和群落分布比想象的要早得多，表明现代苔藓虫可能起源于群居的祖先类型而不是单体生活祖先。寒武纪早期苔藓动物的发现进一步支持了由中国科学院院士舒德干团队所提出的三幕式寒武纪大爆发假说，进一步揭示了寒武纪地球动物树历时四千万年，基础动物、原口动物和后口动物三大动物亚界分阶段、爆发性出现的过程。
“化石在灯影组西蒿坪段泥质灰岩中的发现表明了寒武纪苔藓虫与后期属种相似，适宜在清澈的硬底质环境中生活，从而揭示了泥页岩中保存的特异型化石库中缺乏苔藓动物化石的原因。”张志飞表示，该发现为地球动物树成型和寒武纪生命大爆发提供了新的证据，表明特异型化石的研究并不能完全揭示地史上生命演化的历史过程，还需要其他化石的约束和补充。
监测呼吸可揭示不同睡眠阶段特定代谢模式
睡眠对恢复几乎所有组织和细胞的功能，以及新陈代谢至关重要，而睡眠不足与人类的各种代谢功能障碍有关。通过呼气分析，研究人员能测量人类在一个晚上的睡眠中呼出的代谢物。
10月26日，相关论文刊登于细胞出版社（Cell Press）旗下期刊Cell Reports。
研究人员分析了近2000个代谢物特征，发现个体警觉状态（如清醒、慢波睡眠、快速眼动睡眠）对主要代谢途径的快速、可逆控制。
因此，研究人员表示，除了对日常新陈代谢的调节外，睡眠和觉醒之间存在着一种惊人而复杂的潜在协调性。而且，两者都可能在优化人体机能和健康代谢回路方面发挥重要作用。
科学家揭示哺乳动物“吓一跳”科学机制
中国科学技术大学教授熊伟课题组研究发现，耳蜗核—脑桥尾侧网状核—脊髓运动神经元这条神经环路，对哺乳动物的“吓一跳”反应起到重要作用。这一发现加深了对本能防御行为神经机制的认识，为后续进一步研究人类创伤后应激障碍、恐慌症等疾病中出现的惊跳反射异常行为提供了新的方向。相关研究成果日前发表于《自然—通讯》。
对于包括人在内的所有哺乳动物来说，突然的声音或触觉刺激可以在毫秒时间内诱发机体产生下意识的惊跳反射，也就是我们常说的“吓一跳”。惊跳反射存在于哺乳动物的整个生命周期，它的产生可以将机体多处肌肉收缩反应紧急调动起来，保护容易受伤的部位，如眼睛与后颈部，也为后续进一步的防御反应，如原地冻结、逃跑、躲避等做好准备。惊跳反射的程度可以指征机体的焦虑状态，其异常更是与创伤后应激障碍症、恐慌症等精神类疾病密切相关。尽管惊跳反射是一种重要的本能防御行为，但是控制惊跳反射的基本神经环路尚不清楚。
熊伟课题组研究发现，当声音诱发惊跳反射时，位于哺乳动物脑干的脑桥尾侧网状核的谷氨酸能神经元被大量激活。研究人员使用光遗传及化学遗传手段，发现特异性“激活神经元”可以诱发小鼠出现弹跳表现，颈部及后肢肌肉也能同步记录到肌电活动，这是典型的惊跳反射行为。而特异性“抑制神经元”则可以抑制小鼠产生惊跳反射，并且不会影响运动协调、步态、感知觉等其他行为。
随后，课题组通过病毒示踪的方式，发现谷氨酸能神经元直接接受来自耳蜗核的兴奋性投射，并与脊髓运动神经元之间存在直接突触联系。他们进一步的实验结果表明，谷氨酸能神经元在接受耳蜗核的输入后，直接投射到脊髓运动神经元，最终完成了对颈部及四肢肌肉的控制。
锻炼可以有效地治疗焦虑
近日，瑞典研究人员领导的一项研究显示，中度和剧烈运动都能缓解焦虑症状。相关论文目前发表在《情感障碍杂志》上。
该研究对象是286名焦虑症患者，他们从哥德堡和哈兰县北部的初级保健服务机构被招募，平均年龄为39岁，70%是女性。其中，一半的患者在焦虑中生活了至少10年。
通过抽签，参与者被分配到为期12周的小组运动中，有中度运动也有剧烈运动。结果显示，与对照组相比，他们的焦虑症状明显减轻，即使焦虑是一种慢性疾病。
在12周运动后，治疗组中的大多数人从中度焦虑到高度焦虑的基线水平到低焦虑水平。相对那些运动强度较低的参与者来说，焦虑症状改善的机会增加了3.62倍。
论文第一作者、哥德堡大学萨尔格伦斯卡学院的Malin Henriksson说：“有一个显著的改善趋势——也就是说，他们锻炼得越剧烈，焦虑症状改善得越多。”
以前的研究表明，体育锻炼对抑郁症症状有明显改善。然而，到目前为止，关于焦虑症患者如何受到锻炼的影响，还缺乏一个清晰的图景。目前的研究被认为是迄今为止规模最大的此类研究之一。
研究人员表示，两个治疗组都在物理治疗师的指导下，每周进行3次60分钟的训练。课程包括有氧运动和力量训练。热身之后是45分钟的12站循环训练，最后以伸展运动结束。研究人员定期使用博格量表对运动强度水平进行验证，并通过心率监测仪进行确认。
如今焦虑症的标准治疗方法是认知行为疗法（CBT）和精神药物。然而，这些药物通常有副作用，焦虑症患者往往对药物治疗没有反应。CBT的长时间等待也会使预后恶化。
“初级保健医生需要个体化的治疗，副作用少，而且易于开处方。我们的研究表明，该模式可以包括12周的体育训练。无论强度如何，这代表了一种有效的治疗，应该在初级卫生保健中更经常地为有焦虑症的人提供。”论文通讯作者、哥德堡大学副教授Maria berg说。
跨物种“催生”！这是什么原理？
蚂蚁和蚜虫是自然界的一对经典“CP”：蚂蚁为柔弱的蚜虫提供保护，蚜虫则报以甜美的蜜露。而为了获取更多蜜露，蚂蚁甚至能“催”蚜虫生育更多后代。在看似“语言”不通的两种生物之间，“催生”是怎么做到的呢？
近日，河北大学生命科学学院陈立教授团队联合中科院动物研究所、福建农林大学、瑞士纽沙泰尔大学等国内外团队在《当代生物学》发表论文，揭示了蚂蚁和蚜虫更隐秘的沟通机制。
天然CP，相爱相杀
俗话说，“吃得到一起，才能过得到一起”。
蚂蚁和蚜虫就是这种关系：蚜虫喜欢吸食植物汁液，并从中摄取它们需要的氨基酸。但植物汁液中的氨基酸含量低、糖分含量高，所以蚜虫只好将过量的糖分排出体外。这些甜蜜的“排泄物”，就成了蚂蚁最喜欢的琼浆玉露。
而蚂蚁也不白吃。它们会尽可能保护柔弱的蚜虫免受瓢虫、寄生蜂等天敌侵害。在蚂蚁的照顾下，蚜虫种群往往能快速发展壮大。
“在蚂蚁—蚜虫共生体系中，蚂蚁和蚜虫都能获益，这种共生现象在自然界广泛存在。”论文通讯作者陈立教授对《中国科学报》说。
有“相爱”就有“相杀”。当蚜虫数量越来越多，寄生的植物不够它们吃时，蚜虫就会向邻近的植株迁移，或产生一批有翅蚜进行远距离迁移，继续繁衍生息。这在蚂蚁看来，相当于圈里的小羊想逃跑。因此，蚂蚁会采取一些手段限制蚜虫迁移。
2007年英国科学家就发现，蚂蚁不仅可以咬掉蚜虫的翅膀来防止它们飞走，还能用化学物质来控制蚜虫。在蚂蚁信息化学物质的影响下，共生蚜虫走得慢，也“不愿意”离开。但究竟是什么信息化学物质能把蚜虫“留住”，这篇论文并没有明确。
陈立读到这篇文献时，还在国外做博士后。他对这个方向的研究萌生了很大兴趣。
信息相通，心有灵犀
回国后，陈立开始着手在实验室建立蚂蚁—蚜虫共生体系，他选择了自己熟悉的红火蚁和国内常见的棉蚜作为实验对象。
研究发现，当红火蚁和棉蚜共生时，棉蚜的种群数量增长很快。经过一系列的化学成分分离、人工合成、电生理活性和行为活性测试，发现红火蚁释放的跟踪信息素就是蚂蚁用于控制蚜虫的信息化学物质。跟踪信息素中的主要成分——Z,E-a-farnesene能抑制棉蚜的扩散，提高蚜虫的繁殖率。
那究竟什么是跟踪信息素呢？
蚂蚁本身是一类社会性昆虫，群体内所有分工协作都受到信息化学物质的调控。当一只工蚁在觅食过程中发现食物后，会返回巢穴招募同伴搬运食物，并在走过的路径上留下一些特殊的信息化学物质，以指引同伴前往食物所在地，这种信息化学物质就是跟踪信息素。对红火蚁来说，取食棉蚜排泄的蜜露就是一种觅食行为，所以红火蚁会在棉花植株上留下跟踪信息素。
“一个物种的信息素可以影响到另一个物种，这并不稀奇。例如人们很早就知道，白蚁释放的信息素可以被天敌感知到，以此为线索来跟踪捕食白蚁。但一个物种的信息素能影响到另一个物种的生殖行为，这可能还是第一次报道。”陈立说。
论文推测，蚂蚁跟踪信息素展现出的这种功能具有重要的生态学意义。“对蚜虫来说，跟踪信息素代表着蚂蚁‘保护神’就在身边，让它们有安全感，更愿意生娃而不是搬家；而对蚂蚁来说，安抚了蚜虫，也就保障了自己的食堂，有源源不断的蜜露供应。”陈立说。
师法自然，互利互惠
《当代生物学》同期配发了荷兰瓦赫宁根大学植物科学系Duur K. Aanen教授等为这项研究撰写的快评——《进化：蚂蚁跟踪信息素促进蚂蚁—蚜虫互惠共生》。
“红火蚁起源于南美洲，棉蚜的起源目前尚不清楚，但有可能是亚洲。有证据显示，蚜虫在入侵一些地区后，会与当地的蚂蚁种群建立互惠共生的关系，尽管它们此前都没有共同进化过。”评论认为红火蚁和棉蚜在相遇之前可能已经存在奇妙而默契的关系。
无论红火蚁还是棉蚜，它们在向世界各地扩张的过程中，取得了很大的“成功”，甚至比在原生地繁衍得还要兴旺，这要归功于两种生物之间互利互惠的关系。
作者认为，探究红火蚁和棉蚜之间这种复杂密切的关系，也为人类重新理解畜牧业和驯化的内涵，重新认识人与家禽家畜之间的关系，提供了宝贵的启迪。
“我们通常从人类为中心的角度来看待畜牧业：农民为了自身利益而剥削动物，动物只能被动配合。但事实上畜牧业本身就是互惠共生的一个例子，人和动物都会从中获益，甚至在彼此适应的过程中获得遗传上的改变。”
自闭症患者肠道菌群差异可能与饮食偏好有关
之前有研究表明，自闭症谱系障碍（ASD）可能部分源于肠道菌群组成的差异，这主要基于科学家观察到某些类型的微生物在自闭症患者体内更常见。
但11月12日，细胞出版社（Cell Press）旗下期刊Cell（《细胞》）刊登的一篇论文提出，这种联系实际上可能是反过来的：在自闭症儿童肠道中发现的菌群差异，可能与自闭症相关的限制性饮食有关，而不是诱发其症状的原因。
“很多人对肠道微生物在自闭症中的作用很感兴趣，但没有很多确凿证据。”论文通讯作者、Mater研究所的Jacob Gratten说，“我们的研究是迄今为止规模最大的，旨在克服之前研究的一些局限性。”
在过去10年里，随着新一代肠道微生物测序技术的发展，微生物组分析变得更自动化，耗时也更少，许多研究已经检验了特定肠道微生物与心理健康的联系。科学家发现，肠脑轴不仅与ASD有关，还与焦虑、抑郁和精神分裂症有关。针对微生物群的新疗法研究是一个日益增长的领域。
在该研究中，研究人员分析了247名年龄在2岁至17岁之间儿童的粪便样本。样本来自99名被诊断为ASD的儿童及其51名健康的兄弟姐妹，和97名未患ASD的不相关儿童。分析对象来自澳大利亚自闭症生物库和昆士兰双胞胎青少年大脑项目。
研究人员通过宏基因组测序对样本进行了分析，该测序着眼于微生物物种的整体基因组，而不是短的基因条形码。研究人员表示，它提供了基因水平的信息，不仅仅是物种水平的信息，还能实现比16S分析更准确的微生物组组成的表征。16S分析是早期许多微生物组与自闭症关联研究使用的一种技术。
“在分析中，我们还仔细考虑了饮食、年龄和性别。”论文第一作者、Gratten团队的Chloe Yap博士说，“微生物群会受环境的强烈影响，这就是为什么我们设计了两个对照组研究。”
基于分析，研究人员发现自闭症与微生物组直接相关的证据有限，但自闭症与饮食具有高度相关性，而且，自闭症诊断与饮食多样性和饮食质量较差有关。此外，自闭症特征程度测量（包括兴趣受限、社交困难和感觉敏感性）和ASD多基因评分（代表遗传因素），以及冲动/强迫/重复行为，也与饮食多样性较低有关。
“总的来说，这些数据支持了一个非常简单和直观的模型，即自闭症相关特征会促进限制性饮食。”Yap说，“这反过来会导致微生物群落多样性降低。”
研究人员承认目前的工作有几个局限性。一是该研究的设计不能排除ASD诊断前微生物组的贡献，也不能排除微生物组与饮食相关的变化影响行为的可能性。另外，他们很难完全排除抗生素对样本人群肠道微生物群的可能影响。最后，目前还没有可比较的数据集来证实这些发现。
“我们希望该发现能够鼓励自闭症研究团体中的其他人在组学研究中定期收集元数据，以解释重要但往往被低估的潜在混杂因素，如饮食。”Gratten说，“我们的研究结果还将重点放在了自闭症儿童的营养问题上，这在临床上是一个重要的但未被充分认识的因素。”
研究人员计划在更大的样本中生成新数据，以复制他们的发现。
二维钙钛矿超快激子解离动力学机制获揭示
受到光照，半导体会产生载流子——电子和空穴，两者因带有相反的电荷在静电吸引力作用下被“捆绑”在一起，形成激子。与自由的电子和空穴相比，激子具有更高的发光效率因而在发光和显示器件领域具有潜在应用价值；但在太阳能电池等光伏应用中，大量存在的激子不利于正负电荷的分离提取，使太阳能电池效率大幅降低。因此，研究半导体中激子与自由载流子之间相互转化的动态过程，对材料和器件的合理应用具有重要的指导意义。
近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员金盛烨、田文明等在（准）二维钙钛矿激子解离动力学研究中取得新进展。该团队通过超快时间分辨光谱学技术首次直接观测到二维钙钛矿中快速的动态激子解离过程，并由此提出论证了由极化子屏蔽效应诱导的激子解离新机制。相关研究成果发表在《美国化学会志》上。
作为一类天然的量子阱材料、优质的半导体介质，二维钙钛矿稳态激子结合能相比传统的三维钙钛矿大幅提高，达到数百毫电子伏特，使激子难以在室温下解离。
此前传统观点认为，二维钙钛矿中光生载流子主要以激子的形式存在，在室温下难以解离形成自由载流子，从而推测二维钙钛矿不适用于太阳能电池等光伏器件。然而，近期的一些研究却发现与之相背的结果。研究团队推测，此前的研究可能因为忽略了光生电荷与晶格之间的相互作用，从而使人们高估了二维钙钛矿的激子结合能。
为了验证推测，该团队通过飞秒超快光谱学技术等，首次在室温下直接观测到二维钙钛矿中快速的动态激子解离过程，证明二维钙钛矿中载流子在平衡状态下主要以自由载流子的形式存在。这与此前报道的通过稳态吸收光谱等技术得出的较高激子结合能存在较大差异。
为了解释这一反常的物理现象，该团队进一步通过低温光谱学等，提出由激子—极化子形成而诱导的激子解离机理，即激子通过与声子之间强的耦合作用形成激子—极化子，由于极化子的屏蔽作用大幅削弱电子—空穴间的库伦作用力，使激发态激子结合能显著降低，从而促进激子的快速解离。此外，还证明了激子解离以及后续的自由载流子非辐射复合过程是限制二维钙钛矿荧光量子效率的主要因素。
该发现揭示了二维钙钛矿材料中可能普遍存在的极化激子解离特性，为二维钙钛矿材料在光伏和光电探测等器件中的应用提供了理论指导。
二叠纪末生物大灭绝的“元凶”
2.52亿年前的二叠纪末生物大灭绝被认为是地质历史上发生的最严重的生物灭绝事件。已有的研究显示，二叠纪末生物大灭绝事件持续约6万年，导致81%的海洋生物物种和约89%的陆地生物物种先后灭绝。
那么，二叠纪末生物大灭绝的导火索是什么？中国科学院南京地质古生物研究所（以下简称南京古生物所）和南京大学等多家单位合作开展研究发现，西伯利亚大规模基性火山喷发并非二叠纪末生物大灭绝的唯一推手，特提斯洋中和泛大陆周边的大陆岩浆弧酸性火山喷发导致的环境灾难远超以往的认识，可能是这次最大的生物灭绝事件的主要凶手之一。相关研究成果11月17日发表于《科学进展》。
华南与西伯利亚的记录不一致
在解释二叠纪末生物大灭绝的原因时，此前的研究大多将其归咎于二叠纪—三叠纪之交西伯利亚大火成岩省的基性火山喷发，因其规模最大，导致大量温室气体释放和快速升温、海水酸化和缺氧，而特提斯洋和其他地区的酸性火山作用通常被低估甚至忽略。
“尽管被认为是二叠纪末生物大灭绝推手，但西伯利亚大火成岩省所在区域却很少有化石记录的灭绝模式，也没有可以与全球对比的沉积地球化学证据记录这次生物大灭绝。”论文第一作者、南京古生物所研究员张华告诉《中国科学报》，一些最新的古生物资料表明，西伯利亚地区二叠纪末生物大灭绝造成的生物多样性损失并没有华南地区严重。
张华指出，西伯利亚大火成岩省开始于二叠纪末生物大灭绝事件之前约30万年，并一直持续到生物灭绝事件之后约50万年，西伯利亚大火成岩省有1/3的喷出岩和主体岩浆岩侵入时间均在华南的二叠纪生物大灭绝之后。“无论是大灭绝发生的时间和火山作用持续的时间，华南与西伯利亚的记录都存在不一致的现象。”
近年来的研究显示，二叠纪末生物大灭绝的模式和精确时间大都来自于华南的地质记录，尤其是浙江长兴煤山剖面的研究表明，这次生物大灭绝发生在两层火山灰之间，因此，大规模火山喷发自然而然成为二叠纪末生物大灭绝原因的最流行的解释。
张华介绍，我国现在的西南地区在2.52亿年以前曾经处于热带雨林地区，形成大规模森林和煤层，海陆相生物均非常繁盛，但在2.52亿年前的二叠纪末遭到重创，导致热带雨林消失、成煤作用停止、土壤系统崩溃，气候快速干旱化等环境灾变。我国四川、云南、贵州等地的陆相二叠系—三叠系界线剖面记录了这一灾难事件的全过程。
大灭绝的一个重要诱因
自2010年开始，中国科学院院士沈树忠带领的晚古生代团队与国内外团队开展合作研究，在云贵川地区的陆相二叠系—三叠系剖面生物大灭绝层位发现，铜超千倍的异常富集，并同时伴随有汞元素的异常、大规模炭屑沉积，铜同位素和汞同位素的异常波动等。
科研团队通过大灭绝层位富铜岩石的矿物学和地球化学研究表明，这些高浓度的铜来自于华南板块周边特提斯洋中大陆岩浆弧酸性火山喷出的气溶胶中富硫化物液滴的直接沉积，从而提供了华南周边地区大陆岩浆弧的酸性火山喷发与二叠纪末陆地生态系统崩溃的时空耦合关系。
根据地层中铜元素等的丰度和分布范围，科研团队推算出华南周缘的酸性火山活动最少释放超过19亿吨的铜和几十亿吨的二氧化硫，这种喷发通量是现代火山活动二氧化硫年通量的10～200倍。
火山富铜矿物和陆地植被燃烧产物炭屑的同时富集保存，反映大规模的火山喷发导致了陆地森林大火盛行，摧毁了陆地植被系统；火山释放的大量富硫气溶胶穿透对流层后滞留于平流层可能导致全球百—千年尺度的“火山冬天”。“这种快速降温与随后的快速升温可能比火山作用导致的长期逐渐升温对生物的影响更致命。”张华说。
结合我国东部地区、昆仑山脉、金沙江流域、澳大利亚东部、南美洲西部等地区二叠纪—三叠纪之交广泛存在的大规模二叠纪—三叠纪之交酸性火山喷发记录，科研团队得出结论，华南周缘大规模酸性火山喷发亦是二叠纪末生物大灭绝的一个重要诱因。
大型食草动物能增强生态系统碳储存持久性吗?
目前，人们越来越关注将野生动物保护和恢复与减缓气候变化目标相结合。然而，大型草食动物的存在会降低某些开阔生态系统的地上生物量，因此，研究人员表示，大型草食动物的恢复可能对生态系统的碳储量产生负面影响。
11月18日，相关文章发表于细胞出版社（Cell Press）旗下期刊Trends in Ecology & Evolution。
尽管人们普遍认为土壤是最大的活跃循环陆地碳库，但在很多生态系统中，地下碳储量往往被忽视。
作者认为，为了优化相关恢复工作，实现生物多样性恢复和气候减缓目标，相关研究需要将重点转移到持久性碳储存。实际上，食草动物可以通过将易受干扰的地上植被中存储的碳重新分配到持久的土壤碳库中，进而增加生态系统碳储存的持久性。
在此，研究人员建议，在未来评估大型食草动物对长期碳储存的影响时，应从主要关注植被碳储量转向整个生态系统储碳持久性。如果不这样做，土地管理行动可能导致适得其反的生物多样性和气候影响。
椰子树的个头，400万年前就决定了
椰子是一种重要的热带油料和水果作物，有着丰富的性状表现，比如植株有高有矮、椰肉有多有少、椰壳有大有小……是什么导致这些差异？椰子身上有太多的谜团待解。
近日，发表在《基因组生物学》（Genome Biology）上的一篇论文中，科研团队绘制了高、矮种椰子高质量参考基因组，揭示了单子叶植物染色体的进化过程，解析了高、矮种椰子在株高、纤维含量等关键性状差异的遗传基础，并发现了控制高矮的关键“开关”，解密了发生在约400万年前的椰子“绿色革命”。
绘制高质量参考基因组
椰子是海南的重要经济作物之一，截至2020年，全省椰子林面积51.79万亩，椰果年产量约2.23亿个，全省200多万人直接或间接从事椰子产业，年总产值超200亿元。
“尽管椰子产业很热，但椰子的基础研究相对比较落后。”论文共同第一作者、中国热带农业科学院椰子研究所研究员肖勇在接受《中国科学报》采访时表示。
要想解析一些重要的生物学现象和问题，首先是要获得高质量的基因组。
科研团队利用三代和Hi-C测序技术，分别组装并获得了高种椰子与矮种椰子两个染色体水平的椰子参考基因组。其中，高种椰子基因组大小为2.39Gb，矮种椰子基因组大小为2.40Gb，并对基因组分别进行了注释。
通过椰子基因组与睡莲及油棕等的比较分析，科研团队揭示椰子发生过两次全基因组的加倍事件，其中一次为棕榈科特有。椰子与同为棕榈科的油棕在约2700万年前发生分化，高种椰子和矮种椰子在约400万年前发生分化。
“椰子所属的棕榈科是单子叶植物中比较古老的类群之一，是研究单子叶植物染色体进化和古代植物分化的理想物种。”论文共同第一作者、海南大学教授王守创在接受《中国科学报》采访时指出。
研究团队通过高质量椰子基因组与紫萍、菠萝等单子叶植物基因组的比较分析，基于以端粒为中心的染色体重构理论和模型，重建了含有10条染色体的单子叶植物祖先细胞核型，比先前报道的5条或7条染色体核型具有更强的证据支持；并基于该核型进一步推断出椰子基因组16条染色体的演化过程。
上述研究结果有助于深刻认识单子叶植物核型变化乃至被子植物的进化历程。
破解椰子高矮之谜
椰子主要分为高种和矮种两大亚群，两亚群间的性状存在着较多差异。其中最显眼的便是高矮的差别，高种椰子植株高达15~30米，矮种椰子植株只有5~15米。
相差如此悬殊，是什么决定了高种椰子和矮种椰子的株高差异？
“这项成果最有意思的是，我们利用全基因组关联分析结合生化、分子、生理学手段，克隆到了控制椰子高矮的关键基因——位于12号染色体上的GA20ox基因。我们还发现这个基因其实和水稻、玉米和小麦中的‘绿色革命’基因属于同源基因。”论文共同通讯作者、海南大学教授罗杰在接受《中国科学报》采访时指出。
“绿色革命”基因对人类有着不同凡响的意义。大约60年前，由于水稻、玉米和小麦等作物的植株较高，不抗风很容易发生倒伏，导致产量减少。育种家通过分子生物学手段，发现一个矮种基因，后被称为“绿色革命”基因，通过选育获得了矮秆品种，解决了“吃不饱”问题，保障粮食安全。
“综合上述结果，表明椰子在约400万年前的亚种分化过程中，发生了与水稻、玉米等作物半矮化育种过程类似的‘绿色革命’。”罗杰表示，人类60年前做的事情，自然界早在400万年前就已经做过了。
椰子产业前景很广，数量却不够，一个很重要的原因就是椰子的生长周期很长，很难进行大量繁育。高种椰子要8~10年才能结果，矮种椰子则要3~5年。如果通过常规的杂交育种技术，可能需要几代人用几十年才能完成一个品种的选育。
“有了这个株高性状控制基因以后，我们可以开发分子标记，提前把更方便采摘的矮种椰子选出来，能节约大量时间和资源，大大加快繁育进程，促进椰子产业更快发展。”中国热带农业科学院椰子研究所副所长王挥告诉《中国科学报》。
解析关键性状意义重大
椰子除了高矮以外，还有其他不同的性状，比如高种椰子果实中的纤维素含量比较高，矮种椰子果实中的纤维素含量较低。
“高种椰子更接近于野生椰子，我们推测在热带地区岛国上的椰子，通过洋流传播到其他地区，而纤维含量是它能否漂流过来的重要因素，这个性状与椰子的进化息息相关。”王守创表示。
实际上，最初的椰子体积非常小，比如瓜子椰子就只有枣那么大，为了漂过来，通过自然进化让纤维越长越多，纤维素高有利于椰果漂在水上，而纤维素含量不多的椰果则沉入海里。
科研团队采用多组学加上细胞学手段来分析这个现象。“纤维主要由木质素和纤维素组成，我们主要集中在这两方面研究，关注了木质素和纤维素合成途径的所有基因，看这些基因的表达在高种椰子和矮种椰子上是否有差别。分析结果显示差别确实很大，在高种椰子中相关基因表达量很高，在矮种椰子中则很低。”肖勇介绍。这次他们初步找到了控制纤维素合成的位点和基因。
所谓“鱼和熊掌不可兼得”。肖勇表示，纤维素含量太高，果壳中间的体积就很小，里面的椰肉和椰汁也会变少。最开始是自然选择纤维素含量更大的椰子，随着后面人工选择的开展，才逐渐产生了肉多、汁水多的椰子品种。
除了株高、纤维以外，研究团队还分析了高种椰子和矮种椰子耐盐性、脂质含量等关键性状差异的遗传基础。
“把这些性状的关键基因挖掘出来以后，下一步我们可以搭建分子育种体系，加速育种步伐，对产业贡献巨大。还可以把优异性状的决定基因‘外借’，比如可以把耐盐的基因在其他作物上应用，提高作物的耐盐性，有助于其他品种的遗传改良。”王挥说。
“椰子里面的月桂酸，是目前人类认知的植物里含量最高的，月桂酸又是化妆品的重要原料。破解椰子脂质合成与调控的分子机制，有利于延伸椰子产业链。”王守创表示。