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華南植物園揭示被子植物種子擴(kuò)散方式的演化歷史與全球分布格局
種子擴(kuò)散指的是種子離開植株母體并傳播到新棲息地的過程。對(duì)無法自由移動(dòng)的植物而言，種子擴(kuò)散是其實(shí)現(xiàn)空間擴(kuò)張、應(yīng)對(duì)氣候變化并追蹤適宜棲息地的重要途徑。被子植物在長(zhǎng)期演化過程中發(fā)展出了多樣的果實(shí)和種子形態(tài)，形成了不同的種子擴(kuò)散方式，如動(dòng)物擴(kuò)散(Zoochory)、風(fēng)力擴(kuò)散(Anemochory)、水力擴(kuò)散(Hydrochory)和自體擴(kuò)散(Autochory)等。這些擴(kuò)散方式在傳播距離、生境偏好以及與其他生物的相互作用方面均存在顯著差異，反映了被子植物對(duì)不同生態(tài)條件的適應(yīng)策略，并深刻影響了其多樣化過程與當(dāng)前地理分布格局。然而，被子植物的種子擴(kuò)散方式在演化歷史中經(jīng)歷了怎樣的起源與轉(zhuǎn)變?其在全球尺度上的分布特征如何?驅(qū)動(dòng)這些時(shí)空格局形成的主要環(huán)境因素是什么?不同擴(kuò)散方式對(duì)被子植物的物種分化又產(chǎn)生了怎樣的影響?這些問題仍然有待系統(tǒng)解答。
中國科學(xué)院華南植物園葛學(xué)軍研究團(tuán)隊(duì)整合了全球約3.5萬種被子植物的種子擴(kuò)散方式、系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系與地理分布坐標(biāo)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)探討了被子植物種子擴(kuò)散方式的歷史演化動(dòng)態(tài)、全球分布格局及其環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素，同時(shí)評(píng)估了種子擴(kuò)散方式對(duì)被子植物多樣化速率的影響。
從時(shí)間動(dòng)態(tài)來看，在晚白堊世早期(約 105–80 Ma)，動(dòng)物擴(kuò)散譜系的比例顯著上升，而自始新世以來其相對(duì)比例則有所下降。與此同時(shí)，從非生物擴(kuò)散方式(風(fēng)力擴(kuò)散、水力擴(kuò)散與自體擴(kuò)散)向生物擴(kuò)散方式(動(dòng)物擴(kuò)散)的轉(zhuǎn)變速率在 105 Ma 后總體呈上升趨勢(shì)，并與古氣候變化表現(xiàn)出顯著但動(dòng)態(tài)的相關(guān)關(guān)系：在 105–90 Ma 期間，隨著全球平均氣溫升高，該轉(zhuǎn)變速率與古氣溫呈正相關(guān);而在此之后，隨著全球氣溫逐步下降，其相關(guān)關(guān)系轉(zhuǎn)為負(fù)相關(guān)。研究并未發(fā)現(xiàn)種子擴(kuò)散方式對(duì)被子植物整體的多樣化速率的顯著影響。
在空間分布上，種子擴(kuò)散方式呈現(xiàn)明顯的緯度梯度格局：動(dòng)物擴(kuò)散在低緯度地區(qū)更為常見，其比例隨緯度升高逐漸降低;相反，自體擴(kuò)散的比例隨緯度升高顯著增加。這一緯度梯度主要受年均溫和年降水的共同驅(qū)動(dòng)。此外，動(dòng)物擴(kuò)散和風(fēng)力擴(kuò)散的比例與末次盛冰期以來的溫度變化呈顯著正相關(guān)，表明長(zhǎng)距離擴(kuò)散方式在經(jīng)歷較強(qiáng)氣候波動(dòng)的地區(qū)可能更具優(yōu)勢(shì)。
研究結(jié)果表明，被子植物的祖先擴(kuò)散方式主要為動(dòng)物擴(kuò)散或自體擴(kuò)散。在擴(kuò)散方式的演化轉(zhuǎn)變過程中，不同擴(kuò)散方式之間的轉(zhuǎn)變速率存在顯著差異，其中以水力擴(kuò)散向其他擴(kuò)散方式的轉(zhuǎn)變速率最高。該項(xiàng)研究系統(tǒng)揭示了被子植物擴(kuò)散方式的長(zhǎng)期演化動(dòng)態(tài)及其全球地理分布，突出了溫度變化在塑造種子擴(kuò)散方式時(shí)空格局中的關(guān)鍵作用，不僅為理解被子植物多樣性格局及其形成機(jī)制提供了新的視角，也為預(yù)測(cè)植物在未來氣候變化情景下的分布響應(yīng)提供了重要的科學(xué)基礎(chǔ)。
相關(guān)研究結(jié)果以“Evolutionary history and the global distribution of seed dispersal modes in angiosperms”為題近日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊New Phytologist上。中國科學(xué)院華南植物園博士后金陸為論文第一作者兼通訊作者，葛學(xué)軍研究員為共同通訊作者。中國科學(xué)院華南植物園顏海飛研究員、已畢業(yè)碩士研究生李敏，北京大學(xué)王志恒教授、澳大利亞悉尼皇家植物園Hervé Sauquet研究員、荷蘭自然史生物多樣性中心Renske E. Onstein教授、瑞士蘇黎世大學(xué)博士研究生Dieder de Frens與德國生物多樣性綜合研究中心(iDiv)博士后John T. Clarke為論文重要合作作者。研究得到了國家科技基礎(chǔ)資源調(diào)查專項(xiàng)和廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究旗艦項(xiàng)目的資助。
圖1. 被子植物多樣的果實(shí)和種子形態(tài) (江國彬 攝)
圖2. 被子植物不同種子擴(kuò)散方式之間的演化轉(zhuǎn)變速率
圖3. 非生物擴(kuò)散方式向生物擴(kuò)散方式演化轉(zhuǎn)變的歷史動(dòng)態(tài)及其與古溫度的關(guān)系
圖4. 被子植物種子擴(kuò)散方式的全球分布格局
圖5. 歷史與當(dāng)代環(huán)境條件對(duì)種子擴(kuò)散方式分布格局的影響
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