有性生殖通过促进遗传变异，为生物适应环境变化和长期演化提供重要基础，雌雄配子的相遇是完成受精的关键。陆地植物精子传递形成了不同的适应策略：以被子植物为代表的通过花粉和花粉管将雄性生殖细胞输送至胚珠，而苔藓植物、石松类和蕨类植物等类群仍保留依赖水环境的游动精子受精方式，需要精子在连续水膜中游向颈卵器。苔藓植物配子体是生活史中的优势世代，同时承担有性生殖和孢子扩散繁殖的双重功能，既需要水分保障精子迁移和受精，又需要适宜的结构促进干燥条件下的孢子散布。如何协调这两种存在功能冲突的生殖需求，是理解植物有性生殖适应陆地环境的重要科学问题。
中国科学院植物研究所植物登陆与早期演化研究团队以苔藓植物地钱（Marchantia polymorpha）为研究对象，揭示了其雌性生殖结构适应陆地环境的关键机制。地钱为雌雄异株植物，雌性叶状体顶端可形成直立延伸的颈卵器托，将颈卵器抬离地面。这种结构有利于孢子远距离传播，却也增加了精子在陆地环境中到达颈卵器的难度。
研究团队发现，地钱雌性颈卵器托具有此前尚未被认识的定向水分运输系统，能够实现水分逆重力向上运输，为游动精子到达颈卵器提供必要的水分条件。该系统由导水沟、鳞丝和苞膜等多种表面结构共同构成，形成从颈卵器托柄基部延伸至颈卵器区域的连续导水通道。分子机制研究发现，GRAS家族转录因子MpLAS协调调控这些关键表面结构的发育，揭示了单一转录调控因子整合多种结构组分、共同实现定向水分运输的分子基础。这一发现表明，保障受精成功的功能需求可能对表面结构协同发育与功能整合施加了强烈的自然选择压力。
研究还发现，另一GRAS家族转录因子MpGRAS10通过调控赤霉素相关化合物生物合成途径中的关键基因MpKAOL1和MpKAOL2，参与颈卵器托柄的形成。该发现揭示了地钱生殖结构形成的重要调控途径，为理解生殖结构形态建成及其演化提供了新的分子证据。
系统发育与祖先性状重建分析表明，颈卵器托的不同特征经历了逐步组装的演化过程：托柄的形成早于与定向水分运输相关的特化表面结构。研究结果提示，早期演化形成的直立生殖结构在促进孢子传播的同时，也可能增加了水媒介导受精的难度；随后出现的导水结构则有助于解决这一限制，使生殖结构在保留既有适应优势的基础上获得新的功能。这一发现为理解复杂生物性状的形成提供了新的理论与案例。
该研究揭示了苔藓植物通过生殖结构创新协调孢子传播与水媒受精的适应策略，深化了对植物有性生殖适应陆地环境及相关结构演化机制的认识，也为解析复杂整合性状的形成与演化提供了新视角。此外，该系统无需外部动力即可实现定向水分运输，其结构设计原理有望为仿生液体输运系统的研发提供生物学启示。
相关成果于10月29日发表于国际学术期刊Nature Plants。植物所博士研究生戚肖桐、杜家乐、与助理研究员张晓霞为论文共同第一作者，徐波研究员为通讯作者，植物所研究生王怡、王慧杰、张田和已毕业研究生石雅静参与了相关研究。该研究得到国家自然科学基金创新研究群体项目、面上项目及青年科学基金的资助。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41477-026-02450-1
（植物多样性与特色经济作物全国重点实验室供稿）
地钱雌雄生殖托（a）与雌托表面高效定向水分运输系统（b）
