葡萄科植物究竟起源于何時何地?又是如何跨越山川海洋、征服惡劣環(huán)境,形成現(xiàn)今的分布格局的呢?
國家植物園(南園)植物大數(shù)據(jù)與生物多樣性保護(hù)研究團(tuán)隊與合作者在《自然-植物》(Nature Plants)雜志發(fā)表的最新研究成果,回答了這些問題。
眼下正是葡萄成熟的季節(jié),一串串晶瑩剔透的葡萄讓人垂涎欲滴,但你知道它來自哪里、它的家族成員還有哪些嗎?
事實上,葡萄科(Vitaceae)是一個大家族,共有18屬約950個物種,而葡萄只是這個大家族的千分之一。我們熟悉的景觀植物爬山虎、錦屏藤也屬于葡萄科家族成員。
葡萄科植物廣泛分布于全球熱帶和亞熱帶地區(qū),模樣千奇百怪。在漫長的演化歷史中,它們占據(jù)了條件迥異的生態(tài)位,也就是說,不同地區(qū)的葡萄科植物進(jìn)化成不同的形態(tài),以適應(yīng)其生長環(huán)境。比如,在潮濕的熱帶雨林里,它們?yōu)榱藸帄Z樹頂?shù)年柟?,往往以攀援藤本的形式存在;到了干旱的稀樹草原,它們又變成低矮的灌木;而在極度貧瘠的石灰?guī)r山地,它們則進(jìn)化出像水甕一樣的樹干,形成奇特的景觀。
▲葡萄科的主要生境(a-c)和全球分布圖(d)
不同物種的DNA是有差異的,差異越大,物種間的親緣關(guān)系就越遠(yuǎn)。因此,科學(xué)家通過對不同物種的DNA進(jìn)行測序并比對它們之間的差異,就可以分辨物種之間的親緣關(guān)系。這種關(guān)系通常以樹形圖的形式展示,這就是生命之樹。
科研團(tuán)隊歷經(jīng)20多年,收集、測序了495種葡萄科植物的DNA序列,構(gòu)建了目前取樣最全的葡萄科植物生命之樹,結(jié)合化石證據(jù)和生物地理重建推斷,發(fā)現(xiàn)葡萄科植物可能起源于白堊紀(jì)晚期的亞洲,這與亞洲葡萄科現(xiàn)存屬的高度多樣化和大量向外擴(kuò)散的事件一致。但是,目前古植物學(xué)家發(fā)現(xiàn)的葡萄科最古老化石卻來自白堊紀(jì)晚期的印度(當(dāng)時不在亞洲,離非洲更近),科研人員推測,印度板塊可能作為“踏腳石”,促進(jìn)了亞洲與非洲之間的交流。
在古新世和始新世期間,葡萄科植物迅速拓殖了南半球,并在所有主要大陸上發(fā)生了多樣化。在始新世期間,葡萄科植物向非洲大陸和馬達(dá)加斯加的擴(kuò)散尤其顯著,這兩個地區(qū)也擁有葡萄科最高的物種多樣性(擁有400種葡萄科植物)。漸新世后,崖爬藤屬、葡萄甕屬、葡萄屬和酸蘞藤屬的多樣化速率顯著上升,也正是在這一時期,上述類群的生境發(fā)生了顯著變化,同時演化出了一系列新的適應(yīng)性狀。
▲葡萄科的生物地理歷史重建示意圖
在漫長的地質(zhì)歷史中,全球氣候經(jīng)歷了多次溫暖期和寒冷期的交替。當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時,植物或采用遷移至新分布區(qū)的策略以維持其原有生態(tài)位,或采用原地演化出新性狀的策略來適應(yīng)新環(huán)境,或兩種策略兼而有之。
那么,究竟是植物的遷移更重要,還是演化更重要?這里涉及到一個非常流行的假說,即生態(tài)位保守假說。該假說認(rèn)為,物種更傾向于保持其祖先的生態(tài)位,即遷移比演化更容易。但也有研究表明,演化策略也很重要。
研究團(tuán)隊對葡萄科植物進(jìn)行了生態(tài)位重建,結(jié)果表明葡萄科祖先的生態(tài)位是濕潤森林。那么,葡萄科植物如何走出雨林,應(yīng)對始新世之后日益干旱和寒冷的環(huán)境呢?
研究團(tuán)隊分析了各地史時期葡萄科植物的擴(kuò)散事件、生境轉(zhuǎn)變和關(guān)鍵性狀演變。結(jié)果發(fā)現(xiàn)始新世和中新世氣候溫暖,葡萄科物種更多通過“遷移”策略搶占空白的濕潤生境。漸新世時期氣溫驟降,滅絕事件增多,采用“遷移”策略的類群也顯著下降。中新世后大量新生境和適應(yīng)性狀(如多肉)的出現(xiàn),可能促使葡萄科植物“演化”策略成為主導(dǎo)。
這些結(jié)果表明,植物在演化過程中并不總是遵循生態(tài)位保守原則,研究中應(yīng)謹(jǐn)慎使用相關(guān)理論和假設(shè)。
▲不同地質(zhì)時期內(nèi)葡萄科生存策略變遷示意圖
該研究創(chuàng)新性地將類群生物地理擴(kuò)散、關(guān)鍵性狀演化與環(huán)境變化相結(jié)合,深入剖析了葡萄科植物生存策略的轉(zhuǎn)變模式和機(jī)制,對于增進(jìn)我們對生物多樣性形成與變化動態(tài)的理解,預(yù)測植物如何響應(yīng)未來環(huán)境變化具有重要科學(xué)價值。
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