최초의 광합성 생물
광합성을 하는 생물로는 원형의 단세포 수생생물인 청록세균이 가장 먼저 등장하여 진화하기 시작했는데, 남아프리카에서는 30억 년 전 선캄브리아기 지층에서 청록세균 화석이 발견되고 있다. 이 세균은 다른 세균과 달리 고등식물에서 발견되는 엽록소 a를 가지고 있어서 광합성을 하며 산소를 방출한다. 이 세균으로부터 여러 녹조류들이 발생하면서 크기도 다양해졌고, 적조류, 갈조류 등 수생식물들이 발생, 번성하게 되었다.
지상식물의 발생과 식물계의 다양화
실루리아기 말(약 4억 년 전)에는 수생식물의 광합성에 의하여 대기의 산소농도가 2% 정도 증가하였고, 부산물인 오존과 동시에 자외선을 차단하는 역할을 하면서 육상에 식물이 생존할 수 있는 조건이 갖추어지게 되었다.
최초로 등장한 육상식물은 쿡소니아인 것으로 알려져 있다. 쿡소니아 화석은 체코의 보헤미아, 러시아의 포돌리아, 미국의 남웨일즈와 뉴욕주 등 실루리아기에 바다가 주기적으로 범람하였던 지역들에서 발견되고 있다. 육상식물의 조상은 녹조류인 것으로 추정되는데, 이는 녹조류의 엽록소, 카로티노이드색소, 저장물질, 세포벽 구성물질 등이 지금의 육상식물과 거의 같기 때문이다. 실제로 녹조류의 한 종류인 Fritschiella는 현재에도 습지에서 생존하고 있다.
그 후 식물은 진화를 계속하여 통도조직과 기공 및 뿌리를 획득하였고 줄기가 더욱 강해졌는데 데본기의 중기에는 양치식물과 거대식물인 속새식물과 석송식물들이 등장하였으며, 이끼류가 출현하엿다. 데본기 말기와 석탄기에는 속새식물과 석송식물들이 고온다습한 늪지에서 크게 번성하였다. 석탄기에 이 식물들의 집단서식지에서 지반침강과 건조화가 지속되고 생태적으로 부적절한 여건이 조성되면서 거대식물들이 소멸되었는데 그 잔해가 퇴적되어 석탄으로 굳어지게 되었다.
최초로 종자를 생산하는 식물은 종자양치류 식물이며 데본기 중기에 출현하였는데, 현존하는 가장 오래된 종자화석은 미국 펜실베이니아주에서 발견된 Archaeosperma이고, 스코틀랜드의 Berwickshire에 있는 석탄기 초기화석(약 3억년 전)에서도 여러 형태의 종자들이 발견되었다. 종자양치류의 종자 보호장치는 현재의 피자식물과 유사하기 때문에 피자식물의 조상으로 추정되고 있지만 백악기 초기(약 1.2억년 전)에 모두 소멸하였다.
나자식물의 발생
나자식물(겉씨식물)은 종자양치류와는 별도로 석탄기 초기인 약 3.3억년 전에 원나자식물인 Archaeopteris로부터 진화된 것으로 생각되고 있다. 최초의 나자식물은 Cordaites이었고, 석탄기 중기에는 그로부터 침엽수가 진화하여 번성하게 되었다. Cordaites는 건조한 페름기에 멸종하였다. 나자식물 그룹인 소철류는 석탄기 전기에 종자양치류로부터 진화되었고, 은행나무가 속하는 maidenhairs는 트라이아스기(2.25~1.95억년 전)에 출현하였지만 모두 소멸하였고 은행나무가 유일한 현존종이다. 나자식물 중 덜 알려진 그룹인 매마등목은 화석기록이 희귀하며 마황, Gnetum속, Welwitschia mirabilis가 이에 속하는데 이들의 생식기관은 피자식물과 매우 비슷하다.
피자식물의 번성
현존식물의 대부분을 차지하는 피자식물의 정확한 출현시기와 조상형은 아직 불분명하지만 북아메리카와 러시아의 백악기 초기화석에서 종자, 잎, 목재, 화분립 등이 발견되어, 백악기(1.4억년~6,500만년 전) 초기에 출현하여 백악기 동안에 나자식물을 대체하며 식물계를 우점하게 되었고, 백악기 말기에는 현존하는 대부분의 종들이 출현하게 되었다.
가장 오래된 꽃잎의 화석은 미국 Dakota에서 발굴된 백악기 중기의 화석이다. 조상형에 관해서는 여러 견해가 있지만, 종자 및 생식기 구조와 수분 및 수정 방법 등으로 미루어 볼 때 트라이아스기 전기부터 백악기 후기까지 생존하였던 종자양치류인 케이토니아 또는 중생대의 트라이아스기와 쥐라기(1.95~1.41억년 전)에 생존하였던 나자식물의 하나인 Bennettitales 목인 것으로 추정되고 있다.