水生植物是长期适应水环境生长的特殊演化类群，在食物、药材供给（如莲藕、芡实）、工业原料（如芦苇）、景观旅游和生态修复等方面发挥着重要作用。尽管生命海洋起源说广为人知，但绝大多数水生植物实际上是由陆生植物重新适应水环境演化而来，这一过程在进化史上至少独立发生了200余次。水生植物如何成功从陆生祖先“移民”至水下世界，一直是植物适应性进化研究领域的热点科学问题之一。
12月9日，武汉植物园与中国药科大学等合作团队在国际学术期刊《Current Biology》上发表了题为“The convergent genomic dynamism for aquatic adaptation in vascular plants”的研究论文。该研究整合了122个维管植物的全基因组数据，并结合形态学观察（气孔、维管束、通气组织）、水淹处理实验及转录组测序，开展了迄今规模最大的水生植物系统比较分析，揭示了植物适应水环境的遗传新机制：
发现一：水生植物基因组进化的“加速跑”。通过比较不同生活型植物（陆生、挺水/浮叶、淡水沉水、海草）的基因进化速率，发现水生植物尤其是沉水植物和海草的核基因、线粒体基因和叶绿体基因进化速率均显著高于其陆生近缘种，表明水生环境并未“减缓”进化，反而可能通过环境选择压力（如低光、低氧、盐度变化等）增加突变率，或通过小种群效应促进遗传漂变，从而加速了基因组演变步伐。
发现二：功能基因家族存在趋同扩张现象。之前学界普遍认为水生植物主要通过基因丢失、基因组简化来适应水环境。本研究通过多策略分析发现，多个独立起源的水生植物类群中存在大量趋同的基因家族扩张事件，这些扩张基因与铁离子稳态、通气组织形成、光合作用增强及渗透压调节等关键适应性状密切相关。例如，缺铁响应转录因子bHLH115在沉水植物中显著扩增，可能帮助其适应水体中铁元素匮乏的环境。
发现三：特定表型与基因拷贝数密切相关。显微观察与控制实验表明，不同水生植物在气孔发育和通气组织形成等方面差异显著。沉水植物的水下叶通常无气孔或气孔退化，但在暴露于空气中时，部分种类能迅速发育出气孔，呈现出较强的表型可塑性。进一步分析发现，与气孔发育相关的13个关键基因的拷贝数与叶片单位面积气孔总面积呈显著正相关，这为理解植物形态响应水生环境提供了基因层面的直接证据。
发现四：植物耐涝响应策略呈现分化模式。通过比较12个代表性植物（包括陆生、挺水/浮叶和沉水类型）在水下与空气中的基因表达差异，发现挺水/浮叶植物和陆生植物在水淹时会启动一套特定基因集（如乙烯合成、缺氧耐受、通气组织形成等）以“抵抗”或“逃避”胁迫。相比之下，沉水植物表现出截然不同的表达模式：在空气中暴露时上调气孔发育、细胞壁合成等相关基因，而在水下则进入“节能模式”，抑制这些耗能途径。这表明沉水植物在长期适应中已从“应激响应”转向“常态适应”，暗示其拥有独特的基因资源与表达调控策略。
全球气候变化导致洪涝灾害频发，严重威胁粮食安全。上述研究成果不仅为理解植物水生适应机制提供了新视角，也为作物耐涝性改良提供了新思路。中国药科大学陈凌云副教授、武汉植物园操瑜副研究员、中国药科大学研究生王甲乐和陈洪为论文共同第一作者；武汉植物园万涛研究员、王青锋研究员为共同通讯作者。复旦大学黄建勋副研究员、慕尼黑大学Diego F. Morales-Briones博士等参与了该研究。研究得到了国家自然科学基金（32370242、32370388）、“十四五”国家重点研发计划（2024YFF1307400）、中央高校基本科研基金（2632024TD04）及云南省科技厅重点研发计划（2024YFF1307400）的支持。
原文链接：https://www.cell.com/current-biology/abstract/S0960-9822(25)01528-3
图1 水生植物适应性趋同演化
