作者:Thomas J.Givnish 来源:TRSPB 发布时间:2015/9/21 12:52:48
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兰生幽谷无人识
基因研究帮“达尔文”解开兰花进化之谜

 

花园里一只头上顶着黄色花粉的大黄蜂。

图片来源:JIM FOWLER

查尔斯·达尔文在《物种起源》之后写了什么?答案是关于兰科植物授粉的一本专著。达尔文对兰科植物的多样性感到惊奇,他把兰科植物和授粉昆虫之间的互动看作自然选择的一个扩展案例研究。“昆虫给兰花受精的方式多种多样、极为精彩、格外美丽。”达尔文在给一位园艺家的回信中写道,这名园艺家曾给他邮寄过动物标本。

进化生物学家一直对兰科植物的研究兴致勃勃。该物种多样性超过25000种,可谓植物王国里最大的家族,约占维管束植物物种总量的8%。科学家对其多样性曾提出各种各样的解释,然而却一直无法追踪到其背后的原因。

现在,兰花“新家谱”终于让科学家在解释其多样性方面迈出了关键一步。“这是第一次对兰科植物主要分支的种系发展作出的系统分析。”荷兰莱顿自然生物多样性中心园艺学家、并未参加此项研究的Barbara Gravendeel说,“这是一项非常出色的研究。”Gravendeel 表示,这项研究表明了兰科植物的多样性如何经历了一系列的“创新”,尤其是适应热带山地的生活能力,并由此逐一或集体地产生新物种大暴发。

此前的兰花发展史曾对叶绿体——把水和二氧化碳转化成糖的细胞器——中发现的一些基因进行了对比。(叶绿体的基因进化很慢,有助于揭示时间久远的进化关系。)此次,由美国威斯康星州植物生态学家Thomas Givnish带领的研究团队通过新基因测序方法,从39种兰科物种(代表了几乎所有主要兰科物种)中史无前例地提取了75种叶绿素基因,研究同时提取了其他96种“远亲”开花植物的基因,建立了兰科植物的系统发育过程。利用17种推断出年龄的兰科植物化石,包括为数不多的兰科植物标本,研究人员对其系统发育主要分支进行了溯源,并计算了新物种可能出现的速率。

该团队的新进化时间轴从1.12亿年前首批兰科植物出现开始,研究认为大约9000万年前,古兰科植物家系开始相互分化。然后,在约6400万年前出现了一次重要的进化:兰科植物进化出了一种把花粉凝结成黏球(即花粉块)的特征,这样以来授粉昆虫在抵达其他兰科植物之前就不会丢掉花粉颗粒。为了黏住花粉块,很多花朵进化出了各种复杂的结构,例如一些兰花会把少量花粉黏在喜欢该花粉的昆虫眼睛上,从而在传粉过程中产生新的物种。

实际上,有花粉块的兰花种系成种速率比无花粉块的兰花种系高出5.1%,Givnish和同事在近日发表于英国《皇家学会学报B》的文章中指出。

其次,一些兰花进化出了空中生活模式。在距今3500万年前,很多兰科植物进化成了附生植物,即寄生在树木体表的植物。这一转变打开了兰科植物向新领地殖民和向新环境进军的大门,使附生植物的物种多样化的比例净增长了8.8%。作为对根系暴露的补充,一些兰科植物种系进化出了一种节水的光合作用模式,即景天酸代谢模式,这可以让它们在仅有雨水的环境中存活下来,而这种进化使得该种系的物种多样性比例增加了20.3%。

然而,最大的一次进化发生在进军至热带山地的兰科植物谱系中,比如安第斯山脉和新几内亚高地,兰科植物在这些地方碰到了多样化的新机遇。和生长在其他低地环境中的兰科植物相比,这些云雾林中的兰科物种的进化速率增加了24.9%。

Givnish表示,很难解释从树生兰科植物到山地兰科植物之间发生的进化,因为绝大多数山地兰科植物也是附生植物。

但是很多人对其中一项结果感到困惑。约有1/3的兰科植物会通过花朵结构或是气味,如类似食物的味道等方式诱引授粉昆虫。然而,这种带有欺骗性的重要进化特征并未明显增加该物种的多样化速率。“这让我们感到很惊奇。”Givnish说。Gravendeel则认为,这种诱引方式或许也加快了物种多样化进程,但研究人员可能未能辨识出或是未能对许多热带兰科植物进行详细解剖。

其他研究人员认为,应该对兰科植物细胞核DNA开展进一步检测,从而得出更加强有力的兰科植物家谱,因为这些细胞核中含有的基因比叶绿素中的基因更多。“要想了解兰科植物进化的真实故事,最好的方法是对兰科植物进行核基因组测序。”纽约州立大学植物遗传学家Victor Albert说。未来,更多基因组学研究将会接踵而至,它们一定会更清楚地阐明这个让达尔文感兴趣的进化学问题。(来源:中国科学报 红枫)

 
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