"Växter, oavsett om de är enorma eller mikroskopiska, är grunden för allt liv inklusive oss själva." Detta var David Attenboroughs introduktion till The Green Planet, BBC:s senaste naturhistoriska serie.

Under de senaste 500 miljoner åren har växter blivit sammanvävda i alla aspekter av våra liv. Växter stödjer allt annat liv på jorden idag. De ger syre som människor andas, samt rensar luften och kyler jordens temperatur. Men utan vatten skulle växter inte överleva. Ursprungligen hittades i vattenmiljöer, det uppskattas finnas omkring 500 000 landväxtarter som uppstod från en enda förfader som flöt genom vattnet.

I vår senaste artikel, publicerad i New Phytologist , undersöker vi, på genetisk nivå, hur växter har lärt sig att använda och manipulera vatten – från de första små mossliknande växterna som levde på land under den kambriska perioden (för cirka 500 miljoner år sedan) till de jättelika träden som bildar komplex skog dagens ekosystem.

Hur växter utvecklades

Genom att jämföra mer än 500 genom (en organisms DNA) visar våra resultat att olika delar av växtanatomi som är involverade i transporten av vatten – porer (stomata), kärlvävnad, rötter – var kopplade till olika metoder för genutveckling. Detta är viktigt eftersom det berättar hur och varför växter har utvecklats vid olika ögonblick i deras historia.

Växters förhållande till vatten har förändrats dramatiskt under de senaste 500 miljoner åren. Förfäder till landväxter hade en mycket begränsad förmåga att reglera vatten men ättlingar till landväxter har anpassat sig för att leva i torrare miljöer. När växter först koloniserade land behövde de ett nytt sätt att få tillgång till näring och vatten utan att vara nedsänkt i det. Nästa utmaning var att öka i storlek och resning. Så småningom utvecklades växter för att leva i torra miljöer som öknar. Utvecklingen av dessa gener var avgörande för att växter skulle kunna överleva, men hur hjälpte de växter att först anpassa sig och sedan trivas på land?

Stomata, de små porerna i ytan av blad och stjälkar, öppnas för att tillåta upptag av koldioxid och är nära för att minimera vattenförlusten. Vår studie fann att generna som var involverade i utvecklingen av stomata fanns i de första landväxterna. Detta indikerar att de första landväxterna hade de genetiska verktygen för att bygga stomata, en nyckelanpassning för liv på land.

Hastigheten med vilken stomata svarar varierar mellan arterna. Till exempel stänger en tusenskönas stomata snabbare än hos en ormbunke. Vår studie tyder på att stomata från de första landväxterna stängdes men denna förmåga ökade med tiden tack vare genduplicering när arterna reproducerade sig. Genduplicering leder till två kopior av en gen, vilket gör att en av dessa kan utföra sin ursprungliga funktion och den andra att utveckla en ny funktion. With these new genes, the stomata of plants that grow from seeds (rather reproducing via spores) were able to close and open faster, enabling them to be more adaptable to environmental conditions.

Old genes and new tricks

Vascular tissue is a plant's plumbing system, enabling it to transport water internally and grow in size and stature. If you have ever seen the rings of a chopped tree, this is the remnants of the growth of vascular tissue.

We found that rather than evolving by new genes, vascular tissue emerged through a process of genetic tinkering. Here, old genes were repurposed to gain new functions. This shows that evolution does not always occur with new genes but that old genes can learn new tricks.

Before the move to land, plants were found in freshwater and marine habitats, such as the algal group Spirogyra . They floated and absorbed the water around them. The evolution of roots enabled plants to access water from deeper in the soil as well as providing anchorage. We found that a few key new genes emerged in the ancestor of plants that live on land and plants with seeds, corresponding to the development of root hairs and roots. This shows the importance of a complex rooting system, allowing ancient plants to access previously unavailable water.

The development of these features at every major step in the history of plants highlights the importance of water as a driver of plant evolution. Our analyses shed new light on the genetic basis of the greening of the planet, highlighting the different methods of gene evolution in the diversification of the plant kingdom.

Planting for the future

As well as helping us make sense of the past, this work is important for the future. By understanding how plants have evolved, we can begin to understand the limiting factors for their growth. If researchers can identify the function of these key genes, they can begin to improve water use and drought resilience in crop species. This has particular importance for food security.

Plants may also hold the key to solving some of the most pressing questions facing humanity, such as reducing our reliance on chemical fertilizers, improving the sustainability of our food and reducing our greenhouse gas emissions.

By identifying the mechanisms controlling plant growth, researchers can begin to develop more resilient, efficient crop species. These crops would require less space, water and nutrients and would be more sustainable and reliable. With nature in decline, it is vital to find ways to live more harmoniously in our green planet.