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地空学院薛进庄等在早期陆生植物演化方面取得重要进展
日期: 2018-06-05  信息来源: 地球与空间科学学院

地球与空间科学学院薛进庄副教授与国内外同行协力合作,在陆生维管植物起源和早期演化的研究方面取得了重要进展,研究成果以“Silurian-Devonian terrestrial revolution in South China: Taxonomy, diversity, and character evolution of vascular plants in a paleogeographically isolated, low-latitude region”为题发表于地球科学领域的重要期刊Earth-Science Reviews(五年影响因子为9.078)。

植物登上陆地,是生命演化史中影响深远的重大事件。陆生维管植物在志留-泥盆纪期间(距今4.4-3.6亿年前)的起源和快速辐射被认为是与寒武纪海洋动物大爆发可比拟的陆地事件。志留—泥盆纪地球环境的一系列巨变,如大气二氧化碳浓度的降低、大陆风化作用的加强、土壤类型的多样化以及河流地貌稳定性的增加等,均被认为与陆地植被的发展存在密切的联系。华南板块志留-泥盆纪的沉积地层中,保存有大量精美的植物化石,记录了维管植物在这一关键时期的演化历程,为人们研究早期维管植物对陆地生境的占领和塑造提供了丰富的资料。华南板块在志留—泥盆纪位于古赤道至低纬度地区,与欧美等其它板块隔离,因此,作为重要的证据,华南的化石材料可用于探讨早期植物在一个相对隔离的低纬度地区的演化模式,以及它们在不同板块之间的扩散和迁移等植物地理学问题。

中国的泥盆纪植物化石研究,始于丁文江先生(中国地质学的奠基人之一)在1910年代考察云南、浙江等地区含植物化石的泥盆纪地层。此后的百余年来,几代古植物学家对华南志留-泥盆纪植物开展了系统的研究工作,积累了丰富的资料,其中对物种进行识别和系统描述的分类学研究是理解植物演化最重要的基础。薛进庄副教授等的论文首先评价了华南已报道的87属、112种维管植物的有效性以及它们的分类位置,并基于最新的地层学研究结果,对这些植物的地质年代进行了梳理,厘定了华南板块志留纪晚期至泥盆纪末的维管植物名录。基于新的物种名录,论文进而开展了以下三个方面的工作。

第一,分析了华南板块志留—泥盆纪植物的多样性演化模式,提出泥盆纪早期、晚期的属种多样性激增反映了真实的辐射演化事件,而其它时段的数据受到取样因素的制约。泥盆纪早期的辐射以工蕨纲的繁盛和真叶植物若干支系的起源为代表,而晚期的辐射以石松纲、楔叶纲和早期种子植物的繁盛为代表。

第二,在属级和种级水平开展了古植物地理分析,将华南植物群与其它板块同期植物群进行了详细对比。泥盆纪的华南植物群具强烈的地方性色彩,指示了华南与其它板块有限的植物群交流。泥盆纪早、中期,除极个别的物种外,以往在华南报道的其它广布种均存在疑问,亟待进一步研究。至泥盆纪晚期,华南的广布种增多(如古羊齿和乔木状石松类),可能指示全球气候梯度或华南板块地理隔离的减弱。

第三,运用定量古生物学手段,研究了华南板块志留—泥盆纪维管植物的一些关键性状的演化规律,揭示了早期植物表型宏演化的一些特点:不同板块上的植物表型宏演化具有不同的时序和速率;植物孢子囊(繁殖器官)的大小变异幅度出乎意料地在泥盆纪早期达到最大值,而在中、晚期萎缩,体现为早期爆发模式(“Early Burst Pattern”);而植物营养器官的定量特征如茎轴宽度和叶片大小、以及基于36个特征的形态多样性(以表型不相似度表示)自泥盆纪早期逐步递增,至晚期达到峰值,表现为阶段性演化模式(“Stepwise Evolution”)。植物表型的宏演化,反映了它们在登陆进程中在陆地生境的扩展和生态适应过程。

华南板块泥盆纪晚期植被景观的概念性复原图(邓珍珍绘制;右前:乔木状石松类,株高约10米;左前:楔叶类,株高约3米;后方高地:前裸子植物,株高约20米)

论文以“华南的志留—泥盆纪陆地革命”(Silurian-Devonian terrestrial revolution in South China)为主标题,旨在为未来研究提出新的课题,即:在对早期维管植物的分类学、多样性和表型演化的精细研究基础上,如何进一步探讨植物登陆对地球系统的影响?在这方面,薛进庄等已开展一些初步工作,如2016年在PNAS杂志发表封面文章,揭示了早期植物的克隆生长以及它们在促进土壤圈形成和增强地貌稳定性方面的显著作用。

研究工作得到国家自然科学基金项目支持。合作者包括中科院南京地质古生物研究所黄璞博士、北大地空学院王德明教授、兰州大学熊聪慧博士、中国矿业大学(北京)刘乐博士及加拿大萨斯喀彻温大学James F. Basinger教授。

编辑:山石


   
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