从单细胞到多细胞，一次10亿年前的进化节点，成为地球上生物演化中最重要的节点之一，从此，生物有了分化根茎叶、进行光合作用、适应环境等能力，也由此拉开了生物进化中最重要的一幕。
近日，中国农业科学院生物技术研究所谷晓峰课题组、张芃芃课题组与国内外科学家合作，获得了绿色植物界最古老单细胞轮藻的首个基因组，在表观组和转录组研究中取得重大突破。
该研究揭示了植物单细胞到多细胞进化和陆生植物起源的机制，补上了生命进化研究过程中一直缺失的重要节点，对认识整个生命系统起源具有重要的理论和实践意义。该研究成果在线发表在《尖端科学（Advanced Science）》上。
10亿年前的一大步
地球上最早的生命，可以追溯到35亿年前，但一直到10亿年前，这些生物仍旧处于单细胞状态，它们的身体只有一个细胞，如果放在今天，是人类肉眼不可见的。这些单细胞生物无法分化出更多的功能性组织，不像植物一样有根茎叶，更不像动物一样有眼耳鼻舌。
从单细胞生物到多细胞生物，是生物进化史上的一次大事件，演化成多细胞生物之后，才有了分化根茎叶等不同的功能性组织的可能性，也就有了进化为高等生物的基础。
因此，“单细胞生物到多细胞生物的演化，被称为生命进化史上的重要里程碑，目前学术界一般认为多细胞轮藻具备根茎叶的分化，是陆生植物的祖先。”
然而，单细胞生物如何进化成多细胞生物，科学界一直众说纷纭，谷晓峰介绍，“由于单细胞轮藻基因组、表观组等信息的缺失，科研人员一直无法了解从单细胞到多细胞的进化及陆生植物的终极起源机制，极大限制了对陆生植物进化的研究，以及通过比较物种进化对核心基因和表观调控因子的鉴定。”
此次课题组获得了目前已知的最古老单细胞轮藻M．viride的基因组、转录组和表观组信息。这成为揭示整个植物起源和进化的关键节点，对解释地球生命进化史以及植物约10亿年前的早期分化具有重要意义。
会有第二次生物进化大爆发吗？
从单细胞到多细胞的变化，大约发生在10亿年前，科学家们是如何获得10亿年前的信息呢？
谷晓峰解释说，“主要从两个方面，一个是通过化石得到一些生物进化的信息，这是古生物学家所做的事情。另外一个是对现有的单细胞轮藻进行基因分析。M．viride是目前已知最古老的单细胞轮藻，但并不意味着它们灭绝了，事实上，它们仍在地球上生存。因此我们可以对它进行基因分析，得到它的基因信息”。
据介绍，此次研究人员组装获得了高质量的M. viride 基因组，该基因组大小为442 Mb，富含重复序列，并发现可能的基因组复制事件。通过比较基因组分析，进一步揭示了单细胞轮藻已经拥有的大量和陆生植物性状相关的遗传信息，阐述了光合途径进化、逆境响应等多种机制。同时，研究发现DNA胞嘧啶甲基化和小RNA等表观遗传修饰是低等到高等陆生植物进化过程中保守的基因转录调控方式，这对揭示植物生长发育、尤其是响应外界各种胁迫的应答机制意义重大。
这些地球生物古老的祖先，在10亿年前已经发生了一次分化，并在此后逐渐进化演变为包括人类在内的陆生生物。那么在未来，这些尚未分化且一直生存至今的单细胞轮藻，会不会发生第二次分化，成为另外一次生物进化的开端呢？对此，谷晓峰说，“目前看来，可能性不大，这一部分没有分化的，既然10亿年前没有分化，且一直这样繁衍了10亿年，再一次分化的可能性就不太大。或者说，即便有这种可能，也是一个以亿年为单位的漫长过程”。
新京报记者 周怀宗 编辑 穆祥桐 校对 李项玲
