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达尔文“讨厌之谜”在内蒙古揭开

来源:科技日报2021-05-28 09:49

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  被子植物(有花植物)是植物界最进化、种类最丰富的植物大类群,在现今陆地生态系统中占据主导地位。被子植物的起源和早期演化一直都是演化生物学中最重要的科学问题之一。

  被子植物化石在1亿多年前的白垩纪地层中突然大量出现,似乎与进化论的观点“生物演化是渐进的”相悖,达尔文对此感到困惑不解,称之为“讨厌之谜”。

  近日,南京古生物所史恭乐研究员领衔的由中、美国际团队,在我国内蒙古发现了一个特异埋藏的早白垩世植物化石群,发现被子植物(有花植物)的祖先类群早在距今约2.5亿年前就已经出现,为解决被子植物的起源问题提供了关键性证据。相关研究进展于5月26日在英国《自然》(Nature)杂志在线发表。

  花朵的起源:世界级科学难题之一

  被子植物在现今绝大多数陆地生态系统中都占据主导地位,是人类赖以生存的地球生态环境中最重要的组成部分,并与人类的衣食住行密切相关。人类吃的食物,织布所用的棉和麻,建筑所用的木材,绝大多数都直接或间接地来自于被子植物。

  “花作为被子植物的生殖器官,其起源和演化是认识和理解被子植物起源的关键。”中国科学院南京地质古生物研究所史恭乐研究员向记者介绍道。花朵是被子植物区别于其他植物大类群最重要的特征,要解密被子植物的起源,必须理解花的起源和演化。

  被子植物类群与苏铁目、银杏目、松柏目、买麻藤目共同组成种子植物,其中后4类群胚珠受精时花粉直接进入珠孔管,也被称为裸子植物。

  既然被子植物与裸子植物有“亲缘关系”,那么裸子植物的花朵的起源和演化能否间接解决被子植物难题呢?

  史恭乐介绍说,分子谱系学重建的种子植物系统发育认为,现生裸子植物和被子植物构成姊妹群,但二者在二叠纪之前就已经分开。

  “现生的种子植物很难为我们认识和理解花的起源和演化提供参考。”史恭乐介绍道。因此,只能在已绝灭的种子植物化石类群中寻找被子植物的近亲和祖先类群,这些类群中隐藏着花和被子植物的起源和早期演化的线索。

  内蒙古化石揭秘被子植物起源之谜

  2017年夏,史恭乐团队在我国内蒙古东部的霍林河盆地发现了一个特异埋藏的早白垩世硅化植物群(距今约1.26亿年)。该硅化植物化石不仅完整地保存了植物器官的三维形态,还保存了植物体组织和细胞的细节信息,正是古植物学研究的理想材料。

  被子植物有两个特征:一是心皮,心皮是包裹了一个或多个胚珠的雌性生殖器官;另一个为包裹着胚珠杯状结构壳斗的一个外组织层,它是被子植物不同于其他种子植物的特征。研究清楚这些特征最早如何出现,是明确被子植物起源的一个关键要素。

  通过醋酸纤维膜撕片技术和先进的显微断层扫描(CT)技术,团队重建了化石植物的三维外观形态和内部解剖结构,并发现已经灭绝的一类种子植物——盔籽。其包裹种子的弯曲壳斗非常类似于被子植物中的外珠被。

  “被子植物的外珠被类似于豌豆的外壳。”史恭乐形象地介绍。裸子植物的种子仅有一层珠被,而被子植物的种子则具有两层珠被,这被认为是被子植物区别于裸子植物最重要的特征之一。

  基于已发表的种子植物形态数据矩阵和本次研究的新认识,研究团队又重新构建了一个包括31个分类群和83个性状的形态数据矩阵,通过不同方法的谱系发育分析均显示,包括盔籽植物、开通植物、舌羊齿植物等在内的,具有相似弯曲壳斗的绝灭种子植物是被子植物的近亲,并很可能包括了被子植物的直接祖先。而这一大类绝灭种子植物的化石可追溯至晚二叠世,表明被子植物的祖先类群早在距今约2.5亿年前就已经出现,并不是在白垩纪突然出现的。

  “被子类植物基干类群及其关键特征的识别在一定程度了回答了被子植物和花朵的起源问题。”史恭乐介绍道。同时相关研究是中国古植物学对被子植物演化理论认识的重要突破,为理解被子植物白垩纪之前的演化提供了关键证据,部分回答了达尔文的“讨厌之谜”。(王溪佳 张 晔

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