植物，无论是大是小，都是所有生命的基础。在过去的5亿年里，植物影响了这个星球的方方面面。如今，它们支持着地球上其他所有生命，提供了人们呼吸所需的氧气、赖以生存的清洁空气，并冷却了地球。但如果没有水，植物就无法生存。植物最初出现在水生环境中，据估计，约有50万种陆地植物是由漂浮在水中的单一祖先产生的。
在一篇近日发表在《新植物学家》上的论文中，研究团队从基因层面研究了植物在进化过程中是如何“学会”利用水的。在植物发展的历史上，水作为一种关键的进化驱动因素，使得关键的基因“采取”各种策略不断发展，让寒武纪时期（约5亿年前）最早生活在陆地上的微小苔藓类植物，逐步演变成了今天形成复杂森林生态系统的巨大树木。
植物与水的关系在过去5亿年里发生了巨大的变化。植物在迁移到陆地之前，生活在淡水和海洋栖息地。
水棉是当时具有代表性的植物之一，它们随波逐流，贪婪地吸收着周围的水。但这些陆地植物的祖先自身调节水的能力非常有限。当植物首次来到陆地上定植时，它们首先面临的挑战是需要找到一种新的方式来获取营养和水，而不必时时刻刻浸泡在水中。它们遇到的下一个挑战是如何增加尺寸。最终，植物进化到了甚至能够在非常干旱的环境中生存，比如沙漠。
研究团队分析比较了500多个基因组，发现植物解剖学中涉及水分运输的不同部分，包括孔隙（气孔）、维管组织和根部，与不同的基因进化方法有关。这个历程告诉了我们植物在其历史上的不同时刻是如何以及为什么进化的。
气孔是叶子和茎表面的细小孔隙，当它们打开时，可以吸收二氧化碳，关闭时则能尽量减少水分流失。新的研究发现，参与气孔发展的基因存在于第一批陆地植物中。这说明，第一批陆地植物就已经拥有了构建气孔的遗传工具，这是陆地生命的一个关键性适应。
维管组织是植物的管道系统，帮助水分在植物内部输送，并在尺寸上有所突破。研究发现，维管组织不是通过新的基因进化的，而是通过一种基因修补的过程出现的。也就是说，旧基因被改换了用途，从而获得新的功能。这表明，进化并不总是通过新基因发生的，而是老基因可以学习新的技巧。
除了气孔和维管组织，植物还需要获得一项关键的能力，才能在陆地上真正“立足”。根的进化让植物能够从土壤深处获得水，并提供锚定。研究发现，生活在陆地上的植物和有种子的植物的祖先中出现了一些关键的新基因，对应着根毛和根的发展。这表明了复杂的根系统的重要性，它们让古老的植物有能力获得从前无法得到的珍贵水分。
通过了解植物是如何进化的，我们可以开始了解其生长过程的一些限制性因素。比如，如果研究人员能够确定一些关键基因的功能，就可以开始改善作物物种利用水以及抗旱的能力。这对粮食安全具有特别重要的意义。植物也可能帮助解决一些目前面临的最紧迫的问题，比如减少人类对化肥的依赖，同时提高农业的可持续性，并降低温室气体的排放。