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《自然生态与进化》:新研究揭开达尔文有关开花植物起源的“讨厌之谜”

《自然生态与进化》:新研究揭开达尔文有关开花植物起源的“讨厌之谜”

《自然生态与进化》:新研究揭开达尔文有关开花植物起源的“讨厌之谜”

(神秘的地球uux.cn报道)据cnBeta:外媒报道,开花植物的起源曾让查尔斯·达尔文感到困惑,他将开花植物从较近的地质时代突然出现在化石记录中描述为一个“讨厌之谜”。随着相对较新的化石记录与使用基因组数据估算的开花植物起源时间之间的无法解释的差异,这个谜团进一步加深。

现在,一个来自瑞士、瑞典、英国和中国的科学家团队可能已经解开了这个谜团。根据发表在科学杂志《自然生态与进化》上的一项新研究,他们的结果显示开花植物确实起源于侏罗纪或更早,也就是比其最古老的无可争议的化石证据早了数百万年。根据他们的研究结果,缺乏更古老的化石,反而可能是化石化的概率低和早期开花植物稀有的产物。

“一群多样化的开花植物在很长一段时间内一直生活在蕨类植物和裸子植物的阴影下,它们在古代生态系统中占主导地位。这让我想起了现代哺乳动物是如何在恐龙时代低调地生活了很长时间,然后才成为现代动物群的主要组成部分,”来自瑞士弗里堡大学的主要作者Daniele Silvestro博士说。

在现代生态系统中,开花植物是迄今为止全球数量最多、种类最丰富的植物群,数量远远超过蕨类植物和裸子植物,几乎包括了所有维持人类生计的作物。化石记录显示,这种模式是在过去8000万至1亿年中建立起来的,而早期的开花植物被认为是小而稀少的。新的结果显示,开花植物在最终占据主导地位之前已经存在了1亿年之久。

“虽然我们并不期望我们的研究能够结束关于被子植物起源的争论,但它确实为一些人追寻的snark植物--侏罗纪开花植物提供了强大的动力。”来自英国布里斯托尔大学的合著者 Philip Donoghue教授说:“侏罗纪的被子植物不是基于基因组分析的神话假象,而是我们对化石记录解释的一种期望。”

研究结论是基于使用大型全球化石发生数据库的复杂模型得出的,是由西双版纳热带植物园的邢耀武博士和他的团队从700多篇出版物中整理出来的。这些记录达1.5万多条,包括棕榈、兰花、向日葵、豌豆等许多植物群的成员。

“长期以来,科学争论在古生物学家与分子生物学家之间形成了两极分化,前者根据最古老化石的年龄来估计被子植物的古老程度,后者则利用这些信息将分子进化校准到地质时间。”来自瑞典哥德堡大学的合著者Christine Bacon博士说:“我们的研究表明,这些观点过于简单化,必须对化石记录进行解释。”

“对化石记录的字面解读不能用于现实地估计一个群体的起源时间。相反,我们必须开发新的数学模型,并使用计算机模拟来稳健地解决这个问题。”

即使在达尔文提出关于开花植物起源的难题140年后,这场争论仍然在科学领域保持着核心地位。特别是,许多基于现代植物及其基因组的系统发育分析的研究估计,该类植物的起源时间明显早于化石记录所显示的时间,而这一结论在古生物学研究中受到广泛争议。新的研究完全基于化石,不包括基因组数据或进化树,这表明开花植物的年龄更早不是系统发育分析的假象,事实上也得到了古生物学数据的支持。

研究合著者、英国皇家植物园邱园科学主任Alexandre Antonelli教授补充道:“了解开花植物何时从一个无足轻重的群体变成大多数陆地生态系统的基石,向我们展示了大自然是动态的。人类对气候和生物多样性的破坏性影响可能意味着,未来成功的物种将与我们现在所习惯的物种截然不同。”

相关报道:全新传粉研究揭示达尔文“讨厌之谜”的遗传线索

(神秘的地球uux.cn报道)据cnBeta:长期以来,人们一直认为植物和动物传粉者之间强大的共同进化关系是现存27.5万种开花植物中高物种化率的潜在驱动力。大黄蜂、蜂鸟、天蛾和蝙蝠等传粉者之间的转变,往往与植物标本化事件同时发生。这些授粉者 "公会 "中的每一个都被一组不同的花卉性状所吸引,如颜色、图案、气味、形状和花蜜奖励等,统称为“授粉综合征”。到目前为止,除了在一些发展中的模型系统中,参与授粉者转变驱动的规格化的性状的详细遗传学仍然不清楚。

在一项新的研究中,研究人员开始在实验室中设计一个授粉者开关,可以反映自然界中一个新物种的起源。他们选择了Mimulus(猴面花)科Erythranthe属中的一个物种。他们对两个花色基因进行了基因改变--有效地合成了一个新的Mimulus物种,其红色色素花青素和黄色类胡萝卜素的含量较低。这些变化是基于对自然界的观察,大多数蜂鸟授粉的花都是红色的,不容易被蜂鸟鹰蛾看到,因为天蛾的视觉敏感度不延伸到较长的红光波长。而天蛾授粉的花朵通常为白色或淡色,反光性强,适应于新月体和夜行鹰蛾的探测。

研究人员用实验室饲养的天蛾,在之前没有接触过花的情况下,测试了由此产生的四种颜色表型--红色、黄色、粉色和白色--的吸引力。

与蜂鸟喜欢的祖先红色相比,天蛾强烈偏爱 "衍生 "的非红色--黄色、粉色和白色,并在实验期间更频繁地光顾这些淡色的花朵,总时间也更长。

研究发现,只需要研究人员设计的这两个简单的基因变化,就能影响天蛾传粉者的偏好。

"我们预计天蛾会在颜色之间表现出一些偏好,但它们的偏好非常强烈,"研究第一作者、约翰-英尼斯中心的 Kelsey Byers博士说,他曾在华盛顿大学从事这项研究。“我们的研究表明,开花植物授粉综合征的变化可以通过相对较少的基因变化进行,这进一步表明,一个新物种的起源可能只需要几个简单的基因变化,"她补充道。”

查尔斯·达尔文曾被他所描述的各种开花植物物种的“讨厌之谜”所吸引--他曾著名地预言,拥有白色花朵和35厘米蜜刺的大彗星兰,一定是由一种(当时未被发现的)具有35厘米探针的天蛾授粉的。正是这样一种天蛾授粉者在他预测几十年后被发现,证实了他的假设。

这项研究同样启发了人们对传粉者转变的植物标本化理解的前瞻性方法--利用实验室中合成的新性状组合进行预测和实验检验。这与经典的回顾性方法形成了鲜明的对比,后者涉及比较相关植物与不同授粉者的关键花卉性状的差异以及这些性状对授粉者偏好的影响。

“我们已经证明,基于授粉综合征和遗传学的基本知识,可以预测走向一个新的、实验合成的鹰蛾授粉植物物种起源的关键步骤,”Byers博士说。

到目前为止,实验仅限于在实验室中使用实验室饲养的昆虫,未来一个潜在的研究方向是在自然界中用野生昆虫测试该假说,以确定一个新物种是否能在外部环境中持久存在。




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