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版纳植物园科研人员在PNAS和Current Biology发表研究成果将陆地植物登陆时间提前1亿年

时间:2018-03-09  来源:科技外事处  浏览次数:   作者:刘红梅     打印  字体: 关闭

  植物登陆是地球历史上具有革命意义的一步,从此地球环境巨变,并最终朝着更有利于有机体产生和演化的方向改变,大气CO2浓度降低,环境温度升高,地表硅酸盐岩层逐渐风化形成土壤层,使地球从此告别了寂静的无机世界,并逐步演化出从简单到复杂,从低等到高等的不同生物门类,乃至呈现出如今的盎然生机。总体来说,这些生物学事件基本来自于科学家的推测和假说,并不能得到直接验证。以往的研究主要依赖于地质学家和古生物学家发现化石证据,相对准确地推断不同的地质年代及地层中的生物门类。然而,由于陆地植物起源早期化石证据的缺乏以及完整化石的稀有性,使得准确推断早期陆地植物的登陆时间、比对植物性状特征并推断演化次序的研究显得异常困难。因此,有关早期陆地植物的起源和登陆一直是古生物学家和进化学家关注和感兴趣的科学问题,多年来一直存在不少科学争议和未解之谜。 

  近日,中国科学院西双版纳热带植物园宏观进化研究组组长Harald Schneider研究员与英国布里斯托大学Philip Donoghue教授领衔的研究团队为解决这一科学难题提供了新的思路和方法,研究结果不仅把陆地植物的起源时间前推1亿年,同时也否定了此前认为苔类植物为最早的陆地植物的假说。 

  有关陆地植物的祖先、最早的登陆植物及登陆时间,一直存在大量的科学争议。过去学者认为轮藻类是陆地植物的祖先,由轮藻类依次演化出苔藓、蕨类和目前最为进化的种子植物,而目前科学家则倾向于改变观点,认为双星藻是陆地植物的祖先类群。同时,对于登陆后的陆地植物的内部系统关系也存在争议,尤其以苔藓植物内部以及与整个维管植物(包括蕨类和种子植物)的关系争论最大,不同的学术假说高达十多种。Harald Schneider研究员与合作者Philip Donoghue教授带领的科研团队利用已发表的转录组数据(涵盖从藻类到种子植物的各个主要类群代表,共计103个类群)结合计算机运算及模型检验分析,否定了此前认为苔类(代表植物如地钱)为最原始的陆地植物的假说,支持苔藓植物为单系类群,并第一次将苔类和藓类构成的分支命名为蒴柄植物(setaphyta),把苔藓植物和维管植物之间的未解关系聚焦到对角苔类系统位置的确立。基于上述相对可靠的系统关系,认为此前有关地钱类(及部分藓类植物)无气孔等性状为次生简化或次生丢失,早期陆地植物的祖先类群其植物体应该是具有气孔等复杂和进化结构的,比我们过去所认为的更为复杂和进化。 

  研究人员进一步利用转录组数据进行了分子钟推算,并结合化石证据进行了综合分析,通过把37个化石证据在系统发育树上进行标定结合分子钟推算,认为最早的陆地植物起源于大约5亿年前的寒武纪,约寒武纪中期至早奥陶纪(距今约5.15-4.73亿年前),该起源时间较过去仅根据化石估测的时间提前了约1亿年,刷新了我们对陆地植物登陆的认知。同时,研究人员还分别对系统发育树的拓扑结构、数据矩阵的大小、分析模型的选择以及化石标定点的确定对最终类群分化时间估算的影响进行了深入分析。 

  上述研究成果日前分别以“The timescale of early land plant evolution”和“The interrelationships of land plants and the nature of the ancestral embryophyte为题发表在国际著名学术期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America(《美国国家科学院院刊》)和Current Biology(《现代生物学报》)上,我园宏观进化研究组组长Harald Schneider研究员均为两篇论文的通讯作者之一。上述研究成果对于我们理解早期陆地植物的登陆时间、类群关系和性状创新具有重要意义,不仅革新了我们对陆地植物登陆时间和早期性状演化的再认识,也对今后开展遗传学、系统发生、生物地球化学以及植物和动物间的协同进化带来深远的影响,更重要的是为今后的分子生物学、生物信息学与古生物学的紧密结合以解决宏观进化问题提供了新的研究思路。上述研究论文发表后,分别得到国内外媒体和杂志,包括英国BBC电台和Science杂志的关注和转载,得到来自英国和美国大气系统学和植物进化生物学领域知名专家的关注和评论,同时德国生物信息学家在Current Biology杂志专门发文评论了上述研究工作的重要意义及可能带来的深远影响。 

 

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