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帮衬达尔文追溯被子植物的起点,被子植物起点

来源:http://www.kailinda-rus.com 作者:必赢体育 时间:2019-11-24 03:14
被子植物起源于三叠纪晚期瑞替期

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科技日报昆明5月7日电 被子植物的崛起重塑了生态系统格局,其起源和早期快速演化问题被达尔文称为“恼人之谜”,是植物学皇冠上的璀璨明珠。为解开这一谜题,中科院昆明植物研究所进行国际合作协同攻关,开展了迄今为止科级水平最广泛取样的被子植物系统发育基因组学研究,并取得重要进展。研究成果6日在国际植物学期刊《自然·植物》上在线发表。

缅甸琥珀中的静子花

达尔文以后的140年间,被子植物的起源与早期演化一直是植物学、古生物学和进化生物学研究中的热点问题。近10年来,通过分化钟估算的被子植物起源时间大多指向侏罗纪甚至三叠纪,但古生物学公认的被子植物冠群最早的化石仅发现于早白垩纪,这一问题仍然悬而未决。

古老且微小的静子花

昆明植物研究所李德铢研究员带领的研究团队依托国家重大科技基础设施“中国西南野生生物种质资源库”,通过跨越五大洲的国际合作和协同攻关,选择被子植物全部64个目,涵盖85%现存科的2351个代表种,以裸子植物163种作为外类群,利用2881个质体基因组的80个基因,重建了被子植物高分辨率的质体基因组系统发育树,估算了被子植物科级以上主要分支的分化时间。

静子花(Lijinganthus revoluta)是以女诗人李静的名字命名的。它安静地躺在一块约9 900万年前的缅甸琥珀中。这块淡黄色的琥珀只有手指头大小,清亮透彻,静子花的一切细节都栩栩如生地保存下来。

研究表明,被子植物起源于三叠纪晚期的瑞替期,明显早于确切的被子植物冠群最早化石年龄,并据此首次提出了被子植物化石记录与分子钟推算时间之间的“侏罗纪空缺”。此外,核心被子植物五大分支,即金粟兰目、木兰类、单子叶植物、金鱼藻目和真双子叶植物之间的关系仍然没有完全解析,暗示在被子植物早期分化阶段可能发生了辐射分化,或许发生了一定规模的灭绝事件,由此产生了令人困惑的“达尔文之谜”。自三叠纪晚期到晚白垩纪,被子植物的兴起、分化并逐渐取代裸子植物在陆表植物中占据主导地位,极大地影响了昆虫、两栖动物、哺乳动物、蕨类植物,以及许多其它生物类群的多样化进程。

静子花很小,直径只有约6毫米;花底部有一个细长的柄;花柄的尽头是5片小小的相互分离的萼片,接着是5片分离、背卷的薄如蝉翼的花瓣,再往上是几枚长在细长的花丝顶端、已经散尽花粉的花药,中央是1枚由3个心皮愈合而成的雌蕊;雌蕊的底部有蜜盘,花丝就着生在这个蜜盘上。幸运的是,散落的花粉并没有走远,至少有800多粒三沟型花粉围绕在花朵周围。多么美丽雅致的一朵花啊!

发表于1998年的被子植物系统发育研究组系统是概要树,而此项新研究建立了被子植物基于质体基因组超级矩阵大数据和全面取样的真实树,它确认了被子植物八大主干支和22个分支的系统框架,有望全面更新旧有系统,它在科级水平上,揭示了41个科不同的系统位置,解决了10个科尚待解决的系统位置问题。

静子花具有被子植物中典型花朵的所有器官,包括花萼、花瓣、雄蕊和雌蕊,这样的花在植物学中被称为“完全花”。按照目前人们对植物的认识,静子花属于被子植物中最大的类群——真双子叶植物,大约70%的被子植物种类都属于这个类群。更为重要的是,静子花并不是花萼和花瓣还未分化,或者虽然分化了但是排列不整齐的、比较原始的基部双子叶植物,而是属于核心真双子叶植物中的五瓣花类。

为达尔文纾困解忧

140年前,英国生物学家和进化论的奠基人达尔文对于被子植物在白垩纪中期突然且大量的出现百思不得其解。因为按照他当时提出不久的生物演化理论,一切生物类群都有一个从少到多的发展过程。显然,这些“不听话”的被子植物给达尔文平添了不少烦恼。他在给友人的信件中坦承了自己的困境,并将被子植物的起源称为“讨厌之谜”。此后一个多世纪里,每当植物学家提到被子植物的起源时,都会想到达尔文的“讨厌之谜”。

百余年后的今天,被子植物的起源时间已经被科学家追溯到更早的时代了。全球各地的古植物学家不仅在1亿多年前的下白垩统发现不少被子植物化石,在更早的侏罗系也发现了被子植物的身影。所以,被子植物的起源时间肯定是在更遥远的地质时代,而非白垩纪中期。这么一来,再提达尔文的“讨厌之谜”似乎是杞人忧天了。实际上,这个所谓的白垩纪中期的“被子植物起源”还真值得说道说道。

静子花的发现促使人们重新审视白垩纪中期的化石记录。美丽的静子花并不孤独,它既不是那个时代唯一的花,也不是最早的真双子叶植物。人们已经在世界各地时代相近的地层中发现了多种类型的花和果实化石,与更老地层中此类化石的缺失形成了强烈对比。这些化石告诉人们,真双子叶植物在白垩纪中期经历了一次全球爆发。19世纪的古植物学研究并不十分深入,故当时人们以为被子植物“起源”于白垩纪中期,达尔文也不能摆脱这种认识的影响。现在看来,达尔文所说的“被子植物起源”实际上只是真双子叶植物的爆发而已,并不是真正的被子植物起源。

既然达尔文不需要为被子植物的起源犯愁了,那他就不用烦恼了吗?不,虽然被子植物的起源时间很可能早于白垩纪,但是真双子叶植物的爆发对达尔文主张渐变的演化理论仍然构成了不小的挑战。

走向巅峰的被子植物

真双子叶植物为什么会爆发?与当时的自然环境有什么关系?现在看来,白垩纪中期的许多重大事件都可能和植物界的这个突发事件有关。首先,被子植物的迅速分化与昆虫的协同演化密切相关。昆虫化石研究表明:昆虫的分化与被子植物在这一时期的迅速分化有一定的耦合关系。化石证据还表明,昆虫在早白垩世或者更早时期已经开始分化,与真双子叶植物的爆发存在一定关系但并不完全同步。这可以解释为,该时期昆虫和被子植物间的互利关系比以前更加成熟,为已经开始的被子植物分化锦上添花,并促进了被子植物生态系统地位的转变。但二者之间的互利,在多大程度上促成了真双子叶植物的爆发?这个问题还有待深入研究。

其次,从环境角度看,白垩纪中期的海洋中发生了一系列缺氧事件,似乎在时间上和真双子叶植物的爆发有重合。古环境研究表明,缺氧事件引起海洋环境的变化,从而带动陆地环境(气候、降水和温度等)发生变化,进而影响各植物类群间微妙的竞争平衡,并引发植被的变化和生态异位。应该说,由于陆地环境地域性强、横向变化较大,目前人们对于白垩纪中期陆地环境的研究远不如同期海洋环境那样深入,对陆地环境与被子植物迅速分化间的关系更是知之甚少。

有资料表明,早白垩世尼藤类的多样性和丰富度也非常高,尼藤类和被子植物在早白垩世都迅速分化。接近早白垩世末期时,被子植物的分化有增无减,并迅速挤占了其他裸子植物的生态位。进入晚白垩世后,本内苏铁和尼藤类经历了大幅衰退;至新生代,被子植物已成为植物界的主导类群,特别是草本被子植物,它们生命周期短、演化迅速,多样性和适应性大幅提高,远超曾经与之平起平坐的裸子植物。

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静子花复原图,雌蕊底部的蜜盘表明静子花的传粉可能与昆虫有关

被子植物的起源时间

目前,不断发现的化石证据将被子植物的起源时间从达尔文时期认定的白垩纪中期向前追溯到了更加遥远的侏罗纪。如:发现于辽西地区上中侏罗统的中华施氏果、中华星学花和潘氏真花,内蒙古中侏罗统的道虎沟太阳花和渤大侏罗草等化石。这些发现表明,当时被子植物已经呈现一定的多样性。而产自德国下侏罗统的小穗施氏果和新近在我国南京发现的南京花,可能把被子植物的起源时间往前推到了2亿多年前的三叠纪。无独有偶,欧洲科学家在三叠系地层分离出了无法和被子植物花粉区分的花粉化石。当然,目前要确认三叠纪已经出现被子植物还需要更加可靠的化石等证据。真正解开被子植物起源之谜,还有很长一段路要走。

作者单位:中国科学院南京地质古生物研究所

本文转自大自然杂志

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