導(dǎo)讀

被子植物能夠適應(yīng)各種各樣的環(huán)境，是生物圈的主要組成部分，為陸地動(dòng)物提供食物和棲息地。然而，被子植物多樣性的演化始終困擾著生態(tài)學(xué)家：為什么地球上有這么多種類的被子植物？它們是如何適應(yīng)不同的環(huán)境和氣候的？它們的多樣性是如何隨著時(shí)間和空間變化的？這些問(wèn)題被達(dá)爾文稱為“第二個(gè)可憎之謎”。近日，王志恒課題組在Nature Communications上在線發(fā)表了題為“Diversification of flowering plants in space and time”的研究論文。該研究構(gòu)建了包含12602全球被子植物屬并時(shí)間校準(zhǔn)的分子系統(tǒng)發(fā)育樹，以及被子植物在全球范圍內(nèi)的分布數(shù)據(jù)庫(kù)，并追溯了被子植物在過(guò)去兩億年中的分化歷史（圖1）。這一研究構(gòu)建了迄今為止最全面的被子植物屬級(jí)水平系統(tǒng)發(fā)育樹，揭示了被子植物多樣化速率的時(shí)空動(dòng)態(tài)與現(xiàn)代多樣性格局之間的關(guān)系，為理解被子植物多樣性的形成機(jī)制提供了新視角。

研究?jī)?nèi)容

圖1 被子植物多樣化速率的時(shí)間變化。較暖和較冷的顏色分別表示更快和更慢的多樣化速率。內(nèi)部的插圖顯示了基于全球所有被子植物分枝數(shù)量隨時(shí)間的增加趨勢(shì)。

研究表明，被子植物經(jīng)歷了兩次快速多樣化事件，與化石證據(jù)相一致。被子植物的分化速率最早在白堊紀(jì)全球變暖期間逐漸增加，然后在白堊紀(jì)末期呈現(xiàn)稍微下降趨勢(shì)或保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)（圖2）。在白堊紀(jì)-古新世（6600萬(wàn)年前）大滅絕事件發(fā)生期間，被子植物的分化速率顯著下降。在那之后，在漸新世早期的全球變暖期間，分化速率又重新增加，這種增加的狀態(tài)一直持續(xù)至今。這些發(fā)現(xiàn)表明被子植物能夠靈活地適應(yīng)不同的環(huán)境壓力，并從中獲得演化優(yōu)勢(shì)。

圖2 不同緯度梯度帶的有花植物多樣化速率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。

在被子植物演化過(guò)程中，高緯度地區(qū)的物種多樣化速率比低緯度地區(qū)更高（圖2），具有高分化速率的年輕屬占據(jù)了溫帶和干旱地區(qū)，而具有低分化速率的老屬占據(jù)了熱帶地區(qū)。這導(dǎo)致分化速率和屬多樣性之間呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的空間格局（圖3）。換句話說(shuō)，分化速率高的地區(qū)往往屬多樣性低，反之亦然。

圖3 全球被子植物屬的多樣性、物種形成速率、年齡和多樣化速率的空間格局和緯度梯度格局。

這項(xiàng)研究為我們理解全球尺度上生物多樣性格局的形成機(jī)制提供了重要線索。被子植物第二次快速多樣化發(fā)生在全球變冷和干旱的時(shí)期（古新世以來(lái)），這一時(shí)期新生境的出現(xiàn)可能是被子植物快速分化的重要原因。在不同的被子植物區(qū)系中，歐亞大陸、北非的溫帶和干旱地區(qū)擁有最年輕、物種形成速率和凈分化速率最高的被子植物屬。赤道地區(qū)長(zhǎng)期穩(wěn)定的熱帶氣候?yàn)楸蛔又参锏难莼峁┝顺渥愕臅r(shí)間，這也進(jìn)一步支持了物種多樣性格局的進(jìn)化時(shí)間假說(shuō)。研究表明，在理解大尺度生物多樣性模式的機(jī)制時(shí)，將物種分布與大型系統(tǒng)發(fā)育樹結(jié)合起來(lái)極具必要性。

致謝

挪威卑爾根大學(xué)DimitarDimitrov副教授、北京宏觀生態(tài)學(xué)課題組前博士后徐曉婷博士（現(xiàn)為四川大學(xué)副教授）為文章的共同第一作者，王志恒教授為文章的共同第一作者和通訊作者。其他合作者還包括北京大學(xué)的方精云教授、丹麥哥本哈根大學(xué)的Carsten Rahbek教授、Jon Fjelds?教授、David Nogués-Bravo教授和Jonathan D. Kennedy博士、Nawal Shrestha博士（宏觀生態(tài)學(xué)課題組前博士后，現(xiàn)哈佛大學(xué)研究助理）、蘇黎世大學(xué)的Bernhard Schmid教授、蘭州大學(xué)劉建全教授、南京林業(yè)大學(xué)楊永教授、英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的James Rosindell教授以及宏觀生態(tài)學(xué)課題組的多名成員。

該研究得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(#2022YFF0802300, #2017YFC0505200)和自然科學(xué)基金委員會(huì)(#32125026 and #31988102, #31770566)的資助。