叶片形态的多样性是现今地球上25万多种维管植物的最显著特征

  在国家自然科学基金(41272018)等项目支持下,北京大学地球与空间科学学院薛进庄副教授、郝守刚教授等与国内外同行合作,在古生代叶片形态演化方面取得了重要进展,研究成果发表于地球科学领域的重要期刊Earth-Science Reviews上。

  维管植物从古生代开始逐渐占领陆地,从简单、微小的无叶草本演化出丰富多彩的形态构型,出现了高达几十米的乔木。叶片作为植物与外部环境的媒介,对植物生理、发育以及陆地生态系统、食物链、生物地球化学循环起着至关重要的作用。叶片形态的多样性是现今地球上25万多种维管植物的最显著特征,然而在“绿化陆地”这一过程中,叶片的形态是如何多样化的?叶片的演化与地球环境与气候变化的关系是什么?这些问题充满了魅力,吸引了进化生物学家极大的关注和不断的探索。

  北京大学的研究组利用华南地区完善、连续的古生代维管植物的化石记录,选择95种单叶、218种复叶,并分别以96个、103个性状特征对其进行编码,建立了多维形态学数据集。通过研究数据点在多维形态空间(morphospace)的分布特征和模式,对叶片的形态变异度(morphological disparity)进行定量估算,计算出叶片形态变异的范围总和、方差总和、平均不相似度等变异度指标,分析了叶片形态变异度与植物属种丰富度之间的动态关系。

  研究表明,在维管植物演化的第一阶段(泥盆纪至石炭纪早期),植物进军至未饱和的、低竞争强度的陆地环境,单叶的变异度初步增加,复叶的变异度在石炭纪达到峰值,期间植物的维管系统、生殖结构急剧分化,灌木、藤本、草本、乔木等各种构型出现。在维管植物演化的第二阶段(石炭纪晚期至二叠纪),单叶的变异度进一步扩大,复叶的变异度维持动态平衡;此过程伴随着湿地群落在华南的逐渐恢复和繁盛,木贼类、大羽羊齿、以及松柏、银杏、苏铁等现代类群的古老祖先在华南出现。论文还全面探讨了大气二氧化碳浓度、生物地理分区对叶片变异度的影响。

  这一研究工作将植物在形态空间的分布与它们在生态空间(ecospace)的演化联系了起来,为进化生物学、生态学研究提供了新的思路。

  原文见:Xue J., et al., 2015. Stepwise evolution of Paleozoic tracheophytes from South China: Contrasting leaf disparity and taxic diversity. Earth-Science Reviews 148:77-93. (