《Protoplasma》：Evolution of the expansin superfamily in bryophytes and green algae
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为揭示早期陆生植物和绿藻中扩张蛋白基因家族的进化历史，研究人员以两种苔类、一种角苔、一种藓类及两种绿藻为研究对象，通过生物信息学鉴定和系统发育分析，明确了EXP家族在苔藓和绿藻中的组成，发现苔类缺乏EXPB基因，而绿藻扩张蛋白并非真正的EXPA或EXPB，这为理解陆生植物扩张蛋白家族的起源与分化提供了新线索。
植物能够生长、开花、结果，离不开其细胞壁的“松绑”与重塑。在这场微观的形态建设中，有一类名为“扩张蛋白”的非酶蛋白扮演着关键角色。它们如同细胞壁的“润滑油”或“调节阀”，在种子萌发、果实成熟乃至花粉管生长等一系列生命过程中，通过pH依赖的方式介导细胞壁松弛，为细胞的扩张和组织的生长开辟物理空间。扩张蛋白超家族包含四个主要家族：EXPA、EXPB、EXLA和EXLB，其中EXPA和EXPB已被实验证实具有细胞壁松弛活性。尽管在被子植物中，这些基因家族的特征已较为清晰，但它们在地球上更古老的植物类群——早期分化的陆生植物（如苔藓植物）以及被认为是陆生植物近亲的绿藻中，其进化起源与历史脉络仍笼罩在迷雾之中。苔藓植物包括苔类、藓类和角苔，是陆地生态系统最早的拓荒者之一。阐明它们体内扩张蛋白的“家谱”，就如同寻找一把钥匙，有望解开植物从水生走向陆生这一伟大进化征程中，其形态构建基础工具的演化密码。为此，一项深入研究在《Protoplasma》上展开，旨在描绘苔藓植物与绿藻中扩张蛋白超家族的进化图谱。
为开展此项研究，作者运用了几个关键的生物信息学与分子系统学技术方法。首先，通过BLAST同源搜索，从两个苔类植物（Marchantia polymorpha和 Conocephalum conicum）、一个角苔植物（Anthoceros agrestis）、一个藓类植物（Ceratodon purpureus）以及两种绿藻（Chara braunii和 Spirogloea muscicola）的基因组或转录组数据中，系统性地鉴定出扩张蛋白基因。其次，利用MUSCLE算法对鉴定出的蛋白序列与已知的被子植物、石松类植物代表序列进行多序列比对。进而，基于比对结果，使用贝叶斯推断法构建系统发育树，以分析不同物种扩张蛋白之间的亲缘关系。此外，还计算了泊松校正的氨基酸距离以量化序列差异，并通过序列标识图分析保守基序，以从定性和定量两个角度评估绿藻扩张蛋白与陆生植物EXPA/EXPB家族的异同。研究也分析了这些基因的内含子模式，以追溯其结构进化。
研究结果揭示了以下几个主要方面：
苔藓植物和藻类的扩张蛋白超家族组成
研究发现，在所选苔藓和绿藻物种中，均未检测到EXLA或EXLB基因，暗示这两个家族可能是在蕨类植物之后才出现的。苔藓植物含有EXPA基因，但EXPBs的分布具有特异性：在所研究的两种苔类植物中未发现EXPB基因，而它们存在于藓类和角苔中。绿藻（C. braunii和 S. muscicola）虽然含有扩张蛋白，但它们并不属于陆生植物中已知的EXPA或EXPB家族，因此被暂命名为“EXPs”。
苔藓植物扩张蛋白的系统发育分析
EXPA：大部分苔类和藓类EXPA基因与被子植物特有的EXPA分支（以罗马数字标记）是分开聚集的，形成了苔藓特异性的分支（以拉丁字母标记）。例如，藓类EXPA可归入一个名为“AB”的主分支及其下属亚支。苔类EXPA则形成了三个苔类特异性的分支（A、B、C）。一些苔藓EXPA基因与已知的被子植物分支有联系，例如角苔的AaEXPA6、地钱的MpEXPA10以及石松类的部分EXPA基因共同归入被子植物分支X。角苔的EXPA基因总体上与苔藓特异性EXPA谱系关系不强，更多地与维管植物EXPA聚在一起，这可能与其基因组较小有关。
EXPB：角苔的EXPB形成了一个角苔特异性的分支（分支A），而藓类的EXPB则构成了一个藓类特异性的分支，内部包含四个亚支。研究再次确认苔类中缺乏EXPB基因。
藻类扩张蛋白的系统发育、距离与序列标识图分析
系统发育树显示，大多数绿藻EXP基因独立于陆生植物EXPA和EXPB分支之外，尽管CbEXP8和CbEXP11出现在EXPB分支的基部，但序列分析表明它们并非真正的EXPB成员。泊松校正距离分析表明，藻类EXP与陆生植物EXPA家族的平均距离，和与EXPBs家族的平均距离相近，支持了藻类EXP不属于其中任何一个家族的结论。序列标识图分析进一步显示，藻类EXP同时具有一些EXPA特征（如N端“DASGTM”基序、116-129位氨基酸插入）和一些EXPB特征（如79-94、151-159位氨基酸区域的插入缺失模式），是一种混合状态，表明其起源可能早于EXPA和EXPB的分化。
苔藓植物和藻类的内含子模式
苔藓植物EXPA和EXPB的内含子模式支持此前推测的祖先模式。绿藻扩张基因中发现了包括新型内含子（如“H”内含子）在内的多种内含子模式，其中S. muscicola的扩张蛋白基因同时含有内含子A、B、C和F，暗示这四种内含子可能都是EXPA和EXPB家族的祖先内含子。
在讨论与结论部分，研究对上述发现进行了深入阐释与总结。关于苔类植物中EXPB基因的缺失，这引发了关于其进化时间的思考。目前苔藓植物内部的系统关系存在两种主流假说：一是苔藓植物是并系群，苔类最先分化；二是苔藓植物是单系群。如果苔藓是并系的，那么EXPB家族可能起源于苔类分化之后，即苔类、藓类、角苔和维管植物的共同祖先中；如果苔藓是单系的，则EXPB存在于所有苔藓的共同祖先中，但后来在苔类谱系中丢失了。由于苔藓植物系统关系尚未最终定论，EXPB的确切起源时间仍待厘清。研究还推测了祖先基因的数量，认为所有苔藓植物的共同祖先至少拥有3个祖先EXPA基因。对于EXPBs，则取决于所采纳的系统关系假说。
关于绿藻扩张蛋白，尽管它们拥有扩张蛋白的共同特征（如信号肽、特定的半胱氨酸模式和“HFD”基序等），但系统发育、距离计算和序列特征分析均一致表明，它们是一个独特的、多样化的家族，并非真正的EXPA或EXPB。它们可能代表了EXPA和EXPB分化前的祖先状态，或一个独立的进化支系。CbEXP8和CbEXP11在系统树上位于EXPB分支基部，并具有一些类似EXPB的插入序列，这可能暗示它们正在演化出EXPBs的特征，但尚未完全获得该家族的所有标志。
综上所述，这项研究系统地描绘了扩张蛋白超家族在苔藓植物和绿藻中的进化图景。其主要结论包括：苔类植物可能完全缺乏EXPB基因家族；绿藻中存在的扩张蛋白（EXPs）是一个既不同于EXPA也不同于EXPB的独立家族，其起源早于这两大家族的明确分化；EXLA和EXLB家族的出现不早于蕨类植物。这些发现深刻揭示了扩张蛋白基因家族在植物从水生绿藻向陆生苔藓乃至更高等植物进化过程中的动态演变历史。研究提出了关于EXP家族分化和丢失时间点的重要假设，将细胞壁修饰机制的关键分子工具演化与植物陆地化这一重大进化事件联系起来。未来的研究需要通过分析更多绿藻、苔藓和蕨类植物基因组，并结合对这些植物细胞壁化学组成的深入了解，来验证这些假设，并最终揭示驱动扩张蛋白基因家族如此演化的具体功能压力和生化基础。这项发表于《Protoplasma》的工作，为理解植物形态建成的分子进化基础提供了宝贵的新见解。
