这篇文献探讨了草类植物中干旱耐受性趋同进化的机制。研究表明，植物在适应极端环境方面演化出了相似的生物物理和细胞机制，以应对缺水的生活条件。然而，文献强调，在分子、基因和调控水平上的趋同现象仍待进一步验证。通过分析禾本科植物，作者观察到了与干旱相关的基因重复和表达模式的显著趋同，表明相似的基因组变化在不同物种间发挥了作用。研究发现，共享来源的同源基因在物种间被激活，支持了平行进化的观点。
此外，尽管一些物种在相似的代谢路径中表现出相似性，但可能利用不同的基因集合，这揭示了表型的趋同现象。研究还强调，物种特异性的机制在核心共享机制的基础上补充了复杂的适应策略，展示了植物在干旱适应中的多样性和复杂性。这些发现为理解干旱耐受性的进化过程提供了新视角，强调了平行与趋同进化在应对环境挑战中的重要作用。
主要结果
耐旱草本植物的比较基因组学
本研究探讨了在两个不同的Chloridoideae亚族中，三种草本植物（Microchloa caffra、Oropetium capense和Tripogon minimus）之间的趋同进化现象，这三种植物代表了至少两次独立的耐干旱特征的起源。它们在撒哈拉以南非洲的岩石裸露地带共生，适应了相似的环境条件。研究团队使用PacBio高保真数据生成了这三种植物的参考基因组，并进行了基因组注释。结果显示，M. caffra是六倍体，基因组较大，主要由DNA转座子驱动扩展，而O. capense和T. minimus是二倍体，基因组较小。尽管M. caffra的转座子扩展较大，但三种植物的基因组相对紧凑。通过比较基因组学，研究发现与耐干旱相关的基因家族（如早期光诱导蛋白ELIPs）在这三种植物中都有显著扩展，支持了它们在耐干旱特征上的趋同进化。识别干旱耐受性重叠特征
植物在气候控制的生长室中经历了约17-20天的自然干燥，达到脱水状态（相对水分含量RWC < 10%），并且光系统II效率（Fv/Fm）显著下降。O. capense和T. minimus在再水化后12小时内恢复了RWC和Fv/Fm，而M. caffra的Fv/Fm恢复较慢。研究团队在脱水和复水的六个时间点收集了RNA测序数据，分析了基因表达模式。结果显示，基因表达与植物的水分状态紧密相关，脱水和复水过程中都有显著的基因表达变化。约35-52%的基因在脱水期间表现出差异表达，23-47%在复水期间表现出差异表达。尽管M. caffra的差异表达基因数量较多，但其比例低于其他两种植物。通过比较18,428个保守的同源基因，研究发现三种植物之间的基因表达存在显著重叠，约18-24%的差异表达同源基因在各物种中表现出相似的表达模式。此外，研究还发现了一组仅在耐干旱植物中表达的基因，可能与特定的脱水适应机制相关。通过共表达分析，研究表明，水分状态对基因表达的影响大于物种身份，指向了耐干旱植物中共享的脱水耐受特征。干旱耐受性的共享特征（Shared signatures）
通过使用京都基因与基因组百科全书（KEGG），研究团队将每个基因分配到预测的酶功能和代谢通路，并比较了不同物种之间的重叠。结果显示，三种植物在KEGG术语上的重叠显著高于差异表达同源基因（约30-40%比上18-24%），表明尽管这些物种不总是利用平行基因拷贝，但它们通过相似的代谢机制来应对脱水。研究发现，三种植物共享许多耐干旱的特征，包括光合作用的受控下调和保护机制的快速诱导。在脱水过程中，富集的基因本体（GO）术语主要与信号传导、压力反应、细胞重组和转录翻译的修饰相关，而在复水过程中则与光合作用、代谢和色素代谢相关。通过比较耐干旱植物与敏感植物（如E. tef）的GO术语，发现许多经典的压力反应术语在所有物种中共享，反映了对水分缺乏的深层次保守反应。此外，耐干旱植物在转录和翻译的调控上表现出独特的激活，尤其是在核酸过程和生物钟信号传导方面，表明它们在准备脱水时具有更高的调控能力。研究还发现，尽管氨基酸代谢通路普遍下调，但某些重要通路（如谷胱甘肽代谢）却上调，显示出这些植物在应对氧化压力方面的适应性。总的来说，研究表明，耐干旱植物在共享的干旱耐受基础上，通过高度有序的细胞过程转变，实现了脱水耐受机制的进化。KEGG注释揭示了这些植物在光合作用能量代谢、碳水化合物和能量代谢、氨基酸代谢及转录翻译等方面的特征性变化，进一步支持了它们在极端干旱条件下的生存策略。干旱耐受机制在禾草中是保守的
探讨了在Chloridiodeae亚族中，脱水耐受性在至少四个亚族（Eleusininae、Eragrostidinae、Sporobolinae和Tripogoninae）中独立进化的现象。为了测试草本植物之间的趋同模式，研究团队整合了来自其他物种的可比脱水和复水表达数据集，包括耐干旱的O. thomaeum和E. nindensis的RNA-seq样本。通过对五种植物的主成分分析（PCA），样本通常根据水分状态分离。然而，由于实验差异、噪声或物种间差异，可能掩盖了潜在的保守生物学特征。为了解决这一问题，研究团队采用了拓扑数据分析方法，使用Mapper算法构建了基因表达数据的图形表示。该算法适合于高维稀疏数据的分析，能够清晰地描绘出不同物种在水分压力下的基因表达变化。Mapper图显示了脱水过程的明显拓扑结构，每个节点代表相似的RNA-seq样本，节点颜色表示样本身份，节点之间的连接表示共享样本。研究发现，尽管不同物种的样本混合在一起，但不同水分状态的样本之间有明显的区分。最终分析中加入了脱水敏感的姐妹物种E. tef，结果显示所有物种的拓扑结构相似，但E. tef存在明显的差距。这一发现支持了相似的祖先机制在基础干旱耐受机制中的作用，并表明在复生植物中（resurrection plants），通过独立招募特定的脱水耐受途径，增强了这些机制的功能。物种特异性的耐干旱机制
尽管三种主要研究物种（M. caffra、O. capense和T. minimus）之间的基因表达存在显著重叠，但也显现出物种特异性的过程。在M. caffra中，诱导了独特的抗氧化反应，包括谷胱甘肽（glutathione）合成过程、谷氨酸脱羧反应和L-抗坏血酸（l-ascorbic acid）合成。其他独特的过程包括与种子相关的术语，如种子油体生物发生（seed oil body biogenesis）和种子成熟（seed maturation）。M. caffra中还独特诱导了与植物激素（phytohormones）相关的多个GO术语，包括乙烯（ethylene）反应，表明激素调控可能影响类囊体和光合机制的部分降解。O. capense的独特上调过程相对较少，但仍有显著模式，包括组蛋白H3和H4的乙酰化（acetylation）、H3-K9去甲基化（demethylation）和H2B泛素化（ubiquitination）。这些组蛋白修饰与特定干旱响应基因的转录开放性相关。O. capense还显示出与叶绿体mRNA处理、核内多聚腺苷酸（poly(A)+）mRNA出口、核糖体组装和翻译调控相关的上调，表明在干旱条件下仍然活跃地进行转录和翻译。T. minimus的物种特异性过程也较少，独特上调的过程主要集中在氧化应激反应、过氧化物酶体（peroxisome）组织和超氧自由基的去除。T. minimus是唯一显示出上调含花青素（anthocyanin）化合物合成过程的物种，这通常是同绿叶复生植物的典型反应。尽管每种物种中识别出的独特途径有所不同，三种植物在应对干旱和脱水压力时均利用了相似的机制。每种植物独特激活的过程主要围绕防御机制、静止状态的诱导以及在脱水条件下正常生长和代谢的减少。总体而言，三种植物似乎共享一组核心的保守机制，并通过趋同的物种特异性模块进行补充。Marks RA, Van Der Pas L, Schuster J, Gilman IS, VanBuren R. Convergent evolution of desiccation tolerance in grasses. Nat Plants. 2024;10:1112–25.
ps：这篇文献结果中的图的引用有点神奇，不是我图的顺序插的乱，是原文中，一个结果对应了多张图。所以建议直接去看原文
一些名词：
趋同进化（Convergent Evolution）：是指不同物种在相似的环境压力或生态条件下，独立演化出相似的特征或适应性特征的过程。这种现象通常发生在不同的生物群体中，它们虽然在进化上没有直接的亲缘关系，但由于面临相似的生存挑战，逐渐发展出相似的形态、功能或行为特征。
例如，鸟类和昆虫中的飞行能力就是趋同进化的一个经典例子。尽管它们的祖先在进化上并不相同，但都发展出了适应飞行的结构和功能。趋同进化强调了环境对生物形态和功能演化的重要影响。平行进化（Parallel Evolution）：是指在不同物种或群体中，因其共同的祖先而在相似的环境条件下，独立演化出相似的特征或适应性特征的过程。这种现象通常发生在具有相近亲缘关系的物种之间，它们在进化过程中经历了类似的选择压力，从而发展出相似的形态、功能或行为特征。与趋同进化不同，平行进化的物种在进化树上有共同的祖先，因此它们的相似性更可能是由于遗传背景的相似性，而不是完全独立的演化过程。一个经典的例子是某些哺乳动物在不同地区适应相似的生态位，导致它们在形态上出现相似的特征。平行进化强调了亲缘关系和环境选择对物种演化的影响。
