為了避免沉重的代價，植物在進化中努力將固氮功能丟棄了

正如其他的生物一樣，植物也需要氮元素來合成氨基酸以及各種必需的生物大分子。儘管氮是空氣中最豐富的元素，但氮分子卻是相當不活躍的。為了使其能為植物所用，這些氮元素必須被「固定」，或者從分子中脫離出來與氫結合形成氨，之後植物才能通過各種氨反應利用氮元素。

然而植物本身是無法固氮的，如此一來，這一重任就落到了細菌頭上。

一些豆科及其它類植物與特定的細菌群存在共生關係。這些植物在其根部形成特化的根瘤結構，以容納和滋養細菌；反過來，細菌可以為植物固定氮元素，保證其有充足的氨供給。然而，僅有 10 種植物科中的一小部分植物屬可以利用這種方式固氮。因此自從 1888 年這種「共生關係」被發現以後，植物遺傳學家們便開始思考：為什麼在穩定的氮供給誘惑面前，有些植物沒有選擇固氮呢？

一個全球性的遺傳學家聯合組織對 37 種植物的基因組進行了測序比對，包括共生關係存在與否、是否形成根瘤、是否與農業相關等，並試圖找出其中緣由，相關分析結果發表在了《Science》上。

對於植物-細菌共生關係的存在與否，專家們考慮了三種可能因素：

（1）其祖先經歷了某種易感事件，從而進化出共生關係；

（2）共生關係獨立進化了多次；

（3）共生關係也獨立喪失多次。

他們猜想，所有結瘤種都含有可以發生易感事件的基因，而且僅存於這些含瘤種及其進化枝中（進化枝即祖先分枝和所有子代分枝）。然而事實上研究人員並沒有找到符合標準的基因，由此推斷：如果真的有這樣的易感事件發生，應該是通過改變現有基因完成的，而不是創造新基因。

於是他們在共生植物中搜尋特定基因的同族基因，因為通過這種方式，一個性狀可以多次進化。然而這樣的基因也沒有被發現。

為了確認那些主導共生的基因是否遺失，他們開始尋找另一類基因，這類基因只存在於含瘤植物和其進化枝以外的植物中，而不存在於大多數同進化枝卻不含瘤的植物中。事實上共生基因遺失是很奇怪的，因為固氮對這些植物的存活來說至關重要。這類基因若被發現存在，則說明非含瘤植物的祖先曾經有過共生基因，但在進化過程中喪失了。

而這一次大家終於如願以償地發現了一個基因，以其啟動成瘤（Nodule Inception）的功能命名為 NIN。那些非含瘤的物種與其含瘤近親一樣，具有與 NIN 類似的基因，但 8 次進化丟棄事件讓這些 NIN 基因喪失了功能。還有另一個同樣為容納共生菌所必須的基因，也是通過這種方式丟失了。

「使用或丟棄」這一模式對基因同樣適用，甚至更為普遍。在生命進程中，如果一些基因表達的性狀被棄用或變得不那麼重要，他們就會漸漸被遺失。大多數情況下，地球的植物氮源往往受限，因此共生關係得到推崇；然而 NIN 基因竟被拋棄了至少 8 次，說明固氮對植物來說消耗的能量代價太大：也許容納供給一群細菌並不是那麼物有所值；又或者一些非固氮細菌鳩佔鵲巢住進了根瘤里。

現在合成生物學家正在研究如何將固氮功能與農作物整合在一起。這的確是個很有價值的目標，不僅有希望減少氮肥生產引起的化石燃料消耗，還能避免化肥流入水源引起的污染。然而他們應該注意一點——儘管人類自己在不斷努力給植物開啟固氮技能，可植物們自己在進化史上可是好不容易才這把一功能扔掉的。

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