植物

種子功能權(quán)衡研究取得新進展

種子植物是當今陸地生態(tài)系統(tǒng)的主導者，權(quán)衡是其適應復雜環(huán)境的主要生態(tài)策略。種子具有攜帶遺傳信息、擴散、定植及耐受逆境等多重功能，如果有限的資源被用于一種功能，其他功能獲得的資源將減少。因此，種子應該在各功能之間進行權(quán)衡。近期，研究者對中國西南山地生物熱點地區(qū)1119個物種（393個木本，726個草本）的主要種子功能性狀進行分析。結(jié)果顯示，種子大小與種子萌發(fā)所需時間顯著正相關(guān)，而與種子數(shù)量顯著負相關(guān)，排除植物系統(tǒng)發(fā)育、生長型的影響，這些相關(guān)性依然顯著，并且上述兩種相關(guān)性在目、科級水平上呈系統(tǒng)發(fā)育離散狀態(tài)。這些結(jié)果表明種子植物在產(chǎn)生高適合度幼苗與快速占據(jù)新生境之間進行權(quán)衡。（Ecology and Evolution 2018，8：2218-2230）

中國被子植物區(qū)系進化歷史

物種多樣性是系統(tǒng)與進化生物學、生物地理學和生態(tài)學的核心研究問題之一。一個地區(qū)的較高物種多樣性可能是由于類群近期的快速輻射進化所致，也可能是該區(qū)域物種長期積累和保存的結(jié)果。中國擁有約30000種維管植物，植物多樣性豐富程度位居世界前列。中國植物區(qū)系的系統(tǒng)發(fā)育演化歷史也是世界范圍內(nèi)相關(guān)學者極為關(guān)注的科學問題。近期，研究者通過重建中國被子植物的系統(tǒng)發(fā)育樹和時間樹，結(jié)合物種分布數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，從時間上看，中國約66%的被子植物屬是在中新世以后出現(xiàn)；在過去的3000萬年中，草本植物經(jīng)歷了比木本植物更快速的分化。從空間上看，中國東部和西部植物的分化格局存在顯著差異：東部的被子植物屬平均分化時間較早，系統(tǒng)發(fā)育離散，系統(tǒng)發(fā)育多樣性較高；西部的植物屬則正好相反。進一步對比分析草本植物屬和木本植物屬的分化格局后發(fā)現(xiàn)，中國西部是許多草本植物的分化中心，3000萬年以來，草本植物屬分化的比例遠高于木本植物屬；而中國東部對草本植物起到了"博物館"的保存效應，對木本植物則兼具"博物館"和"搖籃"作用，在整個地質(zhì)歷史中，草本和木本植物屬的分化速率基本一致。（Nature 2018，554：234-238）

"變色龍"藍藻

藍藻并不是藻類，而是一類能進行光合作用的單細胞原核生物，也稱為藍細菌。藍藻是地球上歷史最悠久、分布最廣泛的生物之一，也是海洋食物鏈的第一環(huán)。藍藻擁有多種參與光合作用的色素。為了研究色素類型與地理分布的關(guān)系，研究者對來自全球各海域的藍藻的代表性類群——聚球藻樣本進行了詳細分析。結(jié)果顯示，對環(huán)境光照條件的適應，是影響聚球藻色素類型分布的主要因素，這種影響通過一批"變色龍"基因來實現(xiàn)。在藍光充足的開闊海域，適合吸收藍光的色素特別豐富；在溫暖的赤道海域和沿海，色素類型適合吸收環(huán)境中占主導地位的綠光；而在光線偏紅的河口，色素類型比較適應紅光。這表明，藍藻有著"變色龍"特性，能根據(jù)環(huán)境中的光照情況調(diào)節(jié)體內(nèi)色素，更好地利用陽光能量。（PNAS 2018，https://doi.org/10.1073/pnas.1717069115）

被子植物早期與傳粉者的相互關(guān)系

被子植物約有35萬種，在生態(tài)系統(tǒng)中占絕對優(yōu)勢。生物學家達爾文對被子植物突然爆發(fā)一直感覺非常迷惑，稱之為"討厭之謎（abominable mystery）"。化石證據(jù)顯示，被子植物在白堊紀早期已由昆蟲傳粉為主，傳粉昆蟲的多樣化可能是促進被子植物大爆發(fā)原因之一。目前被廣泛接受的假說是"被子植物早期具有泛化的傳粉者（即傳粉動物訪問系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系不相關(guān)的植物種類，并且往往以取食目的），進而形成泛化的傳粉系統(tǒng)"。當前，關(guān)于被子植物早期分支與傳粉昆蟲之間相互關(guān)系的研究受到以下阻礙：現(xiàn)存被子植物早期分化的類群基本是孑遺種類，最大的特點是"科多種少"；單種屬，單型科比例較高，研究對象的物種多樣性受限。現(xiàn)生被子植物早期分支類群主要分布于熱帶亞洲，且以夜晚開花為主，開展野外研究較為困難。

以東南亞為分布中心的五味子科是被子植物早期分支物種最豐富的陸生類群，約100種，其花的形態(tài)、顏色及性系統(tǒng)的多樣性為研究被子植物早期分支與傳粉者之間相互關(guān)系的起源與演化提供了理想的模式。近期，研究者通過野外采樣、觀察與視頻拍攝、電子掃描鏡下性狀分析、昆蟲的形態(tài)與DNA條形碼鑒定、協(xié)同分子系統(tǒng)樹的構(gòu)建及分子鐘的分析，首次從物種、群落和系統(tǒng)發(fā)育水平層面，揭示了被子植物"第一個"專性共生傳粉系統(tǒng)，即"五味子科植物與癭蚊"的演化與維持機制。群落水平的研究發(fā)現(xiàn)，同域分布的五味子科植物大多各自擁有自己獨特的傳粉者，同一物種在不同的群落具有相同的傳粉者。協(xié)同系統(tǒng)發(fā)育與分子鐘標定發(fā)現(xiàn)，年輕的傳粉癭蚊與更古老的五味子科植物之間形成了典型的協(xié)同適應。五味子科植物花部結(jié)構(gòu)與傳粉癭蚊產(chǎn)卵結(jié)構(gòu)之間形成了典型的性狀匹配，一種傳粉癭蚊的產(chǎn)卵結(jié)構(gòu)與一種植物的花部結(jié)構(gòu)特征高度適應。綜合研究及分析整個現(xiàn)存被子植物早期分支與傳粉者之間相互關(guān)系發(fā)現(xiàn)，以產(chǎn)卵為目的蠅類是現(xiàn)存被子植物早期分支種類的主要傳粉者。這一類傳粉者有"沒有花粉會被取食"和"雌性的草食昆蟲為了后代發(fā)育更忠誠于同一物種的花，因此在植物與傳粉者之間形成的往往是更加專性的相互關(guān)系"兩個明顯的優(yōu)勢。地球上現(xiàn)存被子植物早期分支物種主要由產(chǎn)卵的昆蟲傳粉，相互之間形成了特殊的共生關(guān)系，而非具有"泛化的傳粉者"。這一新的發(fā)現(xiàn)對傳統(tǒng)的假說提出了挑戰(zhàn)，為研究和理解被子植物早期與傳粉者相互關(guān)系提供了新思路。（Proceedings of the Royal Society B 2017，285:20172365）

樹蘿卜屬植物新種

杜鵑花科樹蘿卜屬植物常為附生常綠灌木，通常具有膨大紡錘狀的根狀莖，形似"蘿卜"，因而冠名為樹蘿卜。該屬大多數(shù)種類的花具有鮮艷管狀花冠，花冠下垂，花期較長，具有極高的觀賞價值和開發(fā)潛力。樹蘿卜屬植物全世界約120余種，喜馬拉雅地區(qū)是其分布中心。目前為止，緬甸記載有樹蘿卜屬植物58種，包含近年來中國和日本學者命名發(fā)表的3個新種和1個新變種。隨著野外科考和采集的深入，一些新的類群將被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)并被科學認識。近期，研究者在緬甸北部葡萄地區(qū)科考過程中發(fā)現(xiàn)了一種新的樹蘿卜，被其奇特的形態(tài)特征所吸引，其植株完全倒垂，葉呈肉質(zhì)狀，狹披針形，螺旋狀密集排列在肉質(zhì)的枝條上，老枝上具有密集而明顯的花、葉脫落的痕跡等獨有的特征。后續(xù)科考對該種進行了全面細致考察，發(fā)現(xiàn)該種樹蘿卜花梗肉質(zhì)、杯狀，形態(tài)上近似于杯梗樹蘿卜，但其植株倒垂，小枝、莖均為肉質(zhì)，葉近肉質(zhì)狹披針形螺旋狀排列，花序梗、花梗均為肉質(zhì)，且具有苞片，肉質(zhì)花梗短而粗等特征又與杯梗樹蘿卜明顯不同，因此科研者確定該物種為一新種，并且將這一新種命名為Agapetes brevipedicellata。因其附生在一基督教堂旁的大樹上，模式標本采集于此，故取中文名:"神父樹蘿 卜"。（Phytotaxa，DOI:http://dx.doi.org/10.11646/phytotaxa.331.1.10）

1億多年前的禾本植物信息

禾本科是單子葉被子植物中最重要的一類，包括水稻、小麥和玉米等人類最重要的農(nóng)作物。然而禾本科植物的起源長期存在爭議，而該項發(fā)現(xiàn)之前已發(fā)現(xiàn)最早的禾本科植物化石記錄在晚白堊世，現(xiàn)代分子生物學研究認為，禾本科植物起源時間介于59-129百萬年前。近期，研究者從一億多年前早白堊紀晚期發(fā)現(xiàn)的鴨嘴龍類恐龍（馬鬃龍）牙齒周邊保存的特殊結(jié)構(gòu)中，提取到植物表皮和植硅體殘留物。經(jīng)過深入分析和對比研究，揭示這些含有短細胞對的表皮細胞和啞鈴型結(jié)構(gòu)的植硅體屬于禾本科（草）最基干類群，將禾本科最早的化石記錄大幅提前到1億多年前的早白堊世?？铸埢斜４娴暮瘫究浦参镄畔⒌陌l(fā)現(xiàn)，不僅顯示類似蘆葦或叢生竹類的最早草類已包含在鴨嘴龍類恐龍的食譜之中，也為研究恐龍與植物的協(xié)同演化，重建白堊紀陸地革命之始的植物類型提供了新線索。目前，研究人員正在對保存了植物表皮和植硅體的恐龍?zhí)厥饨Y(jié)構(gòu)及性質(zhì)進行深入研究，并努力將植硅體等指標研究更廣泛地應用到中生代和新生代脊椎動物化石記錄中，積極拓展這一新的交叉研究方向。（National Science Review 2017,nwx145,https://doi.org/10.1093/nsr/nwx145）

陸生植物可能誕生于5億年前

植物通過光合作用釋放的氧氣，是包括人類在內(nèi)所有動物依賴生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。當今地球上最重要的植物類群為陸生植物，它們源自水生祖先。雖然已知最古老的陸生植物化石擁有4.2億年的歷史，但種種證據(jù)顯示，植物登陸的時間應該更早。幾十年來，生物學家一直試圖提出一個可靠的陸地植物誕生日期。然而，由于缺少脊椎和堅硬的外殼，植物在化石記錄中留下的信息很少，因此研究者懷疑即便是最古老的植物化石也無法代表最早的植物群。一些科學家嘗試利用植物遺傳數(shù)據(jù)作為"分子鐘"，以闡明它們的進化歷史——知道特定的突變速率，便能基于植物DNA中的差異，估測各個物種是在多久以前分離的。不過，研究人員一直未搞清楚植物家族樹上最低，或者說最早的分支。在此基礎(chǔ)上，包括人們最熟悉的樹木、農(nóng)作物和花在內(nèi)的維管植物在苔類、角苔類和蘚類出現(xiàn)后的某個時間段誕生。然而，后3個類群出現(xiàn)的順序一直是個未解之謎，妨礙著分子鐘研究。近期，研究者根據(jù)他們所收集的關(guān)于100多種植物和藻類物種的遺傳數(shù)據(jù)入手，重建了陸生植物的演化關(guān)系。結(jié)果顯示，陸生植物最早出現(xiàn)在約5億年前的寒武紀時期。植物學家曾認為苔類是最原始的陸生植物，因為它缺少根部以及用于氣體和水分交換的氣孔。但一些最新研究表明，像苔類一樣的植物并不是最早的陸地植物。本研究也認為，苔類同蘚類存在最密切的關(guān)聯(lián)，并且曾經(jīng)擁有根部和氣孔，但隨著時間的流逝喪失了這些特征。（Pnas，https://doi.org/10.1073/pnas.1719588115）

植物病毒與宿主細胞間博弈的新機制

病毒導致的病害在全世界范圍內(nèi)造成嚴重的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)損失，并成為糧食安全的致命威脅。植物病毒侵染植物細胞并攻擊細胞內(nèi)部組分以便自身復制和傳播，最終導致病害發(fā)生。然而，植物細胞已經(jīng)"學會"了偵查病毒入侵，并通過激發(fā)免疫反應來抵抗病毒的侵染。植物抵抗病毒侵染的主要免疫反應機制是RNA interference(RNAi)，這種機制可以阻斷病毒蛋白復制，從而影響病毒侵染的進程。RNAi依賴于小RNA的產(chǎn)生，這些小RNA中含有病毒基因序列的信息，而這些信息可以用促使植物體內(nèi)的防御系統(tǒng)抵抗病毒的攻擊。RNAi最顯著的特征之一是可傳遞性：小RNA可以在細胞之間移動，借此在機體中傳遞病毒入侵的警報。小RNA的移動對病毒侵染的防御機制極為關(guān)鍵，因為這使遠距離未被侵染的細胞提前進入警戒狀態(tài)并在病毒到來之前做好防御準備。小RNA遷移的生物學意義與植物病毒侵染防御機制聯(lián)系密切，但小RNA在細胞間移動的具體機制仍不清楚。近期，研究者發(fā)現(xiàn)，在植物病毒與宿主細胞的博弈之戰(zhàn)中，調(diào)控植物生長發(fā)育的受體蛋白BAM1可以促進細胞之間RNAi的擴散。BAM1蛋白在細胞中定位于細胞膜和胞間連絲中。胞間連絲是臨近細胞間連接的通道，并可能有助于小RNA攜帶的信息傳播。然而，作為演化過程中宿主和病原菌共同進化的結(jié)果，如果一個宿主蛋白在免疫反應中作用突出，致病病原菌也必須不斷進化來對抗宿主蛋白的效力。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)了名為C4的病毒蛋白可以與BAM1結(jié)合，C4可以干擾RNAi細胞間的傳播。該研究為更深入研究RNAi細胞之間的傳播機制奠定了基礎(chǔ)，并為通過生物工程提高農(nóng)作物抗病性提供了新思路。（PNAS 2018,https://doi.org/10.1073/pnas.1715556115）