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玫瑰除了是爱情和浪漫的象征外，还因其尖刺而闻名——从茎上伸出的刺可以驱赶想要啃食花蕾的动物。

它们并不是唯一拥有这种防御机制的植物：其他花卉，如蜘蛛花或黑莓，以及生长着覆盆子和黑莓的开花灌木，都带有尖锐的尖端，某些农作物，如西红柿、茄子、大麦和水稻，也都如此。

但是，这些物种中的许多物种在数百万年的时间里独立进化，它们怎么会拥有相同的刺状特征呢？根据周四发表在《科学》杂志上的一项新研究，一组国际研究人员发现答案在于它们的 DNA，他们追踪到了一个古老的基因家族，这个基因家族导致了所有这些变异中的刺状 特征 。

专家表示，这一发现不仅为科学家创造无刺变种打开了大门，而且还为深入了解极其多样化的植物属的进化历史提供了帮助。

刺的进化

与流行文化的说法相反，玫瑰没有 刺，刺是某些灌木和树木（包括皂荚树和柑橘树）的尖木质尖头。玫瑰花的花皮上长有刺， 类似于 头发的生长方式。

刺的存在至少已有 4 亿年，可以追溯到蕨类植物及其近亲出现时，它们的茎上有些长有刺。纽约长岛冷泉港实验室的植物生物学家和遗传学教授、这项研究的共同作者扎卡里·利普曼 (Zachary Lippman) 表示，从那时起，这种特性在进化的不同时期出现过，也曾消失过。

种类最多的植物属之一，即茄属植物（包括土豆、西红柿和茄子等作物），600 万年前首次长出刺。犹他大学称，如今，茄属植物在世界各地有 1000 多种，其中约 400 种因长有刺而被称为“刺茄属植物 ”。

当一个共同特征（如刺）在不同谱系和物种中独立出现时，这被称为 趋同进化，即物种以相似的方式适应某些环境需求。利普曼也是霍华德休斯医学研究所的研究员，他说，翅膀是不同鸟类以及其他动物（如蝙蝠，甚至某些具有类似翅膀结构的松鼠）以这种方式进化的特征的另一个 例子 。

研究表明，刺和棘是植物进化而来的一种防御方式，可以抵御食草动物（以植物为食的动物），还可以促进生长、植物竞争和保水。此前，人们并不清楚蕨类植物和其他不相关植物长出刺的具体原因。如今，研究人员发现，一种名为“孤独的人”（Lonely Guy，简称 LOG）的古老基因家族充当了这种特性的守门人，在数百万年的时间里在不同物种中开启和关闭这种特性。

孤独的人基因

通过去除玫瑰和茄子等各种植物的刺，作者发现，LOG 基因是研究的约 20 种植物中刺的根源。Lippman 表示，LOG 相关基因存在于所有植物中，甚至可以追溯到苔藓，苔藓被认为是第一种 旱地植物。这些基因负责激活一种称为细胞分裂素的激素，这种激素对植物在细胞水平上的基本功能很重要，包括细胞分裂和扩张，进而影响植物的生长。

“并不是说有一个共同的祖先长有刺，然后在 4 亿年的时间里向其他祖先传播，然后这些祖先就零星地消失了。事实上，它们似乎很容易在不同的谱系中出现，”利普曼说。“现在的问题是，趋同进化有多频繁地不仅仅是我们看到的特征，而是特征背后的基因？”

他补充道：“我认为，我们的研究可能是第一个真正展示这些工具（基因和基因组测序）的威力的研究，它能够跨越如此广泛的进化距离，从而提出关于植物或动物有机体进化中的趋同进化这个非常经典的问题。”

这一发现为研究人员研究刺状物对食草动物的保护程度提供了一个宝贵的工具。圣母大学生物科学助理教授泰勒·科弗代尔 (Tyler Coverdale) 表示，这种防御水平以前很难评估，因为手动从已经长成的植物上去除刺状物（以测试它们在没有刺的情况下是否更脆弱）会损害组织并损害植物的健康，他没有参与这项新研究。

科弗代尔在一封电子邮件中说：“通过利用有针对性的基因突变去除刺，我们可以更全面地了解植物物理防御的生态作用。刺是植物抵御食草动物的关键进化发展，这就是为什么许多带刺的茄属植物都生长在历史上大型食草动物多样性较高的地区。如果没有这一关键创新，茄属植物的分布范围和多样性可能会受到很大限制。”

通过基因手段去除刺

利普曼说，在这一发现之前，另一种去除植物刺的方法是尝试将植物与另一种自然失去刺的变种进行杂交，这就是为什么今天有些玫瑰品种没有刺的原因。

但现在，造成刺的基因已被确定，科学家可以利用基因组编辑技术去除刺，例如 CRISPR，这是科学家用于修改生物体 DNA 的方法。科弗代尔说，有针对性的基因编辑可以轻松创造更多变异，对植物的生长和果实产量的影响更小。

耶鲁大学分子、细胞和发育生物学系教授、植物生物学家维维安·艾瑞斯 (Vivian Irish) 表示：“这项研究不仅让我们更详细地了解了刺的进化过程，还让我们深入了解了如何设计植物发育途径以改善农业。”艾瑞斯没有参与这项新研究，但她是 2020 年一项研究的资深作者，该研究发现植物上的刺是通过干细胞 活动生长的 。

“（LOG 基因）在不同植物物种中被反复利用（ 性状功能的生物学转变）来形成刺，并且在刺消失的谱系中也反复丢失。……在许多不同层面上的（C）选择可能是大自然的经验法则，而这种创新在许多情况下可能反映出以新的方式重新使用旧基因，”她在一封电子邮件中补充道。

从农业角度来看，去除刺可以使收获变得更容易，并为鲜为人知的农产品进入杂货店铺平道路。

作者举了沙漠葡萄干的例子，这是一种生长在澳大利亚本土多刺灌木上的浆果。利普曼说，去除刺后，这种浆果的栽培就容易得多，而且更类似于杂货店里常见的浆果，如蓝莓和草莓。

“这实际上关乎拥有更多的知识……并了解突变对于我们食用的食物和食用量有多么重要，并知道还有更多的潜力，”利普曼说。“我们对内部机制了解得越多，我们就越有机会调整系统或引擎，让它表现得更好。”

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