基于最大熵模型的中国兜兰属植物潜在分布模拟

基于已知分布点和20个环境因子,该研究利用MaxEnt模型模拟在现在(1970—2000年)气候条件和2种不同共享经济路径情景下(SSP1-2.6、SSP5-8.5)未来(2081—2100年)兜兰属(Paphiopedilum)植物的潜在分布格局,找出影响物种分布的环境因子。结果表明,兜兰属植物的最适宜分布区位于滇东南地区、贵州西南、广西西部、广东南部、海南北部。影响该属植物分布的主要环境因子是年降水量、年温度变化和最干旱季降水量。随着全球变暖,适生区有向北和西北方向扩张的趋势,逐渐往西北亚热带方向延伸。在SSP5-8.5的情景下,高适生区出现大幅度收缩。在未来气候情景下,不同种群的分布区变化规律并不一致,其分布格局响应气候变化的趋势也有所不同,因此该文针对分布区变化趋势不同的物种提出了不同的保护策略。

海南蕨类植物新记录

报道了海南省一些蕨类植物新记录,包括1属——龙津蕨属(Mesopteris Ching),1变种——白斑凤尾蕨(Pteris grevilleana var.ornata Alderw.)和7种——假斜方复叶耳蕨(Arachniodes hekiana Sa.Kurata)、疏网凤了蕨(Coniogramme wilsonii Hieron.)、黑叶角蕨[Cornopteris opaca(D.Don)Tagawa]、大羽双盖蕨(Diplazium megaphyllum(Baker)Chris)、龙津蕨[M.tonkinensis(C.Chr.)Ching]、羽叶新月蕨[Pronephrium parishii(Bedd.)Holttum]和光羽毛蕨(Cyclosorus calvescens Ching)。凭证标本均保存于中国科学院上海辰山植物科学研究中心标本馆(CSH)。

广东省5种蕨类植物新记录

报道了5个广东省蕨类植物新记录物种,隶属于4科5属,包括孟连铁线蕨Adiantum menglianense Y.Y.Qian、新店线蕨Leptochilus×shintenensis(Hayata)X.C.Zhang&Noot.、无毛滨禾蕨Oreogrammitis adspersa(Blume)Parris、尖峰岭膜叶铁角蕨Hymenasplenium pseudobscurum Viane、海南里白Diplopterygium simulans(Ching)Ching ex X.C.Zhang。凭证标本均保存于深圳市兰科植物保护研究中心标本馆(NOCC)。

中国水韭属两个四倍体新种

水韭属(Iso3tes)是起源最为古老的水生维管植物,全属物种均被列为国家一级重点保护植物。通过对全国水韭属植物的调查和研究发现,不同产地的四倍体植株在形态上存在显著差异。基于形态学、孢粉学和细胞学证据,将分布于中国湖南省长沙地区和怀化地区的四倍体居群分别命名为隆平水韭(Iso3tes longpingii)和湘妃水韭(I.xiangfei),并详细描述了其形态特征。隆平水韭形态上与中华水韭(I.sinensis)相似,不同之处在于其大孢子具小的瘤状或冠状纹饰,叶细长而柔弱,长达60 cm;该种也与六倍体东方水韭(I.orientalis)相似,不同之处在于其染色体44条,大孢子具瘤状或冠状纹饰。湘妃水韭的大孢子纹饰虽与二倍体云贵水韭(I.yunguiensis)相似,但在小孢子纹饰、孢子囊形状和染色体数目方面却不同。隆平水韭仅少数植株生长于湖南省宁乡市一处池塘,完全沉水生长,而湘妃水韭则分布于怀化市通道县和会同县的湿地。由于这两个新种的分布区狭窄,野生居群数量和个体数较少,栖息地环境受到人为干扰,因此根据IUCN红色名录评估标准,将隆平水韭评为极危(CR)等级,湘妃水韭评为易危(VU)等级。所编制的中国已知水韭属物种的分种检索表,为本属物种的鉴定和保护工作提供了重要参考。

广义蕨类植物基因功能研究概述

广义蕨类植物(石松类和蕨类)是陆生维管植物第二大类群,兼具孢子植物和维管植物的结构和生理特点,衔接陆生植物从简单到复杂的演化过程。广义蕨类植物表现出许多不同于其它植物类群的独特生物学过程,在研究植物基因组演化、器官发育、繁殖方式及环境适应等方面是一类关键的植物类群。现代测序技术的快速发展和应用推动了广义蕨类植物全基因组测序和组装,为其基因功能研究提供了巨大便利。为充分认识广义蕨类植物基因功能研究的热点和难点,该文从多角度全面总结了广义蕨类植物基因功能研究,重点论述广义蕨类植物在器官发育、生殖过程、环境适应性和次生代谢物合成等方面的研究现状,系统阐述其在揭示广义蕨类植物特殊生物学过程中的应用及各类基因的功能。最后,对如何加快广义蕨类植物基因功能研究,并利用相关研究揭示其生物学特性和开发更广泛的应用场景提出了建议。

基于系统基因组学分析揭示早期陆生植物的复杂网状进化关系

植物由水生走向陆生的进化过程中经历了非常复杂的演化,期间产生的大量基因的进化路线可能互不相同,因此仅仅使用系统发育树无法呈现真实的演化关系。系统发育网络图能够清楚地展示包括垂直演化和水平演化在内的复杂网状进化关系。本文选取莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)和4种陆生植物,利用系统基因组学的方法,筛选得到1,668个一对一直系同源基因,重新构建了陆生植物的系统发育网状进化关系。结果发现,使用不同的分析策略所得到的系统发育树不同;对1,668个基因单独分析,发现存在15种不同的拓扑结构;对5个物种筛选得到的直系同源基因进行系统发育网络分析显示,在非常稳健的系统发育网络图中,仅仅5个物种就存在9个不同的分离支,暗示着非常复杂的网状进化关系;而且藻类植物与苔藓植物和石松类植物的分离支之间差异很小,这可能是产生系统发育树冲突的原因之一,也暗示着早期陆生植物发生了复杂的辐射演化。

基于模式产地的分子证据澄清南平鳞毛蕨的分类学地位

地球上有多少物种一直以来都是人们极度关注的问题,而存疑物种是造成该问题难以解决的重要阻碍之一。目前,模式标本是存疑物种得以确定的唯一凭证标准,然而,因其特殊的分类学地位而难以进行有效的观察和研究。因此,前往模式产地寻找存疑物种的原始信息成为最有效的替代途径。随着分子生物学,特别是DNA条形码技术在物种分类与鉴定中的广泛应用,准确而快速鉴定存疑物种成为可能。以存疑物种——南平鳞毛蕨(Dryopteris yenpingensis)为例,利用来自模式产地的分子数据进行DNA条形码分析,并结合形态学特征澄清了南平鳞毛蕨的分类学地位,确定南平鳞毛蕨与荔波鳞毛蕨(D.liboensis)为同一物种,同意将荔波鳞毛蕨作为其异名。研究结果和方法可为今后澄清更多存疑物种的分类学地位提供参考。

《国家植物园体系布局方案》编制背景、程序、思路和重点考虑

2021年10月,习近平总书记宣布启动北京、广州等国家植物园体系建设。为高质量推进国家植物园体系建设,国家林业和草原局会同住房和城乡建设部、中国科学院编制了《国家植物园体系布局方案》。综合考虑国家重大战略、主要气候类型与典型植被区划特点、生物多样性保护优先区域、服务经济社会发展需要等因素,根据现有植物园的分布情况、工作基础,依据国家代表性、科学系统性、社会公益性等准入条件,在已设立2个国家植物园的基础上,遴选了14个国家植物园候选园纳入空间布局,构建布局合理、功能互补的国家植物园体系,按照“成熟一个、设立一个”原则,稳步推进国家植物园体系建设。本文简要介绍了《国家植物园体系布局方案》编制背景、程序、思路和重点考虑,展望未来国家植物园体系建设。国家植物园体系建设将有效发挥国家植物园在生物多样性保护中的重要作用,为实施《昆明-蒙特利尔全球生物多样性框架》提供中国方案。

东亚特有珍稀蕨类植物岩穴蕨(碗蕨科)高通量转录组测序及分析

岩穴蕨(Monachosorum maximowiczii)隶属于碗蕨科稀子蕨属,是东亚中高海拔地区所特有的珍稀濒危植物。为了在分子水平对该物种有进一步的认识,本文首次利用二代高通量测序技术(RNA-seq)对岩穴蕨进行了转录组测序分析。通过Illumina Hiseq 2500测序平台,共计获得4.95 Gb原始数据(raw data),经过滤后得到4.83 Gb有效数据(clean reads),并进行从头组装得到了101,448条unigene。其中,54,106条unigene预测到完整的开放阅读框。我们利用目前已知的51个植物基因组数据,对岩穴蕨的unigene进行了详尽的功能注释,并通过GO、COG、KEGG注释进一步了解了这些编码基因的作用方式、特征以及所参与的代谢通路。同时,转录因子分析结果也为岩穴蕨的环境适应机制研究提供了初步线索。

通过现存蕨类植物多样性透视陆生植物的演化

通常认为的蕨类植物(包括石松类和真蕨类)是现存陆生维管植物起源最早的活化石;但近年来随着分子生物学的发展,发现现存蕨类植物大部分是伴随着有花植物的兴起而新分化的类群(Schneider et al,2004)。2014年,Science报道了瑞典科学家Benjamin Bomfleur等发现的一块亚细胞结构保存完好的1.8亿年前的蕨类植物化石,对该化石的髓部及皮层薄壁细胞处于间期的细胞核大小测量发现,它们与其仍然存活的近缘类群绒紫萁(Osmunda clayto-niana)的相应部分十分相似。

侏罗纪的植物霸主——桫椤

侏罗纪时期遍布全球的秒家族,如今仅残存于温热带地区。未来,秒科植物是否会再次迎来新的繁荣?还是走向灭绝?

中国石松类和蕨类植物多样性研究进展

石松类和蕨类植物是维管植物的第二大类群,其起源可追溯到4亿年前。在被子植物出现之前,石松类和蕨类植物在古地球生态系统中占主导地位,其重要性一直延续到现在。自20世纪40年代开始,中国石松类和蕨类植物研究就令世界瞩目,尤其是2017年第19届国际植物学大会在中国深圳召开后的5年时间里,中国石松类和蕨类植物研究更是面向世界、走向国际,研究更为广泛的科学问题,在物种多样性、保护、系统演化和生态适应性等方面取得了一系列重要研究进展。2017–2022年,多个中国研究团队利用多组学数据构建了世界石松类和蕨类植物科级水平的生命之树并提出了关键性状孢子囊环带演化的新模式;解决了石松类和蕨类植物中目级、科级、属级和种级众多关键的系统分类学等问题,发表了106个新分类群;开展了大量的植物区系调查和研究,出版了6部中国石松类和蕨类植物多样性专著和1部世界性专著;对65种国家重点保护的石松类和蕨类植物进行了迁地保护,同时实现了桫椤科、水蕨属(Ceratopteris)、观音座莲属(Angiopteris)和鹿角蕨(Platycerium wallichii)等重点保护类群的孢子繁殖;在系统发育框架下,研究了石松类和蕨类植物的生态修复功能和生态适应性演化。通过对2017–2022年研究成果的总结和思考,本文对未来石松类和蕨类植物的发展提出以下建议:(1)提高中国寡型科属以及世界性大科大属的关注力度;(2)加强西藏、四川等薄弱地区石松类和蕨类植物的调查研究,并结合新技术,如DNA条形码等以提高区系调查中物种鉴别的效率和准确性;(3)运用多学科交叉的研究方法厘清各科、属、种间系统关系的同时,还应加强系统和生态适应性演化之间的协同研究;(4)关注石松类和蕨类植物系统位置作为陆生维管植物演化起点的共性科学问题;(5)加强石松类和蕨类植物系统分类学与生态学、植物化学、保护生物学等学科间交叉合作研究。

全基因组复制事件的绝对定年揭示莲座蕨属植物的迟滞演化

全基因组复制在维管植物的物种形成过程中普遍存在,被认为是物种适应极端环境的重要机制之一。确定全基因组复制事件的发生时间对理解生物的适应性演化具有重要意义。然而,在维管植物,特别是蕨类植物中,全基因组复制事件的发生时间及其演化意义仍知之甚少。本研究以蕨类植物重要基部类群——福建莲座蕨(Angiopteris fokiensis)为例,基于不同采样点(广东、广西、上海)的3个转录组学数据,利用同义替换率(Ks)和绝对定年的方法分析全基因组复制事件的发生时间和物种单位时间内的分子演化速率,并对事件发生后保留下的基因进行基因功能注释和富集分析。结果表明,福建莲座蕨在159-165Mya发生了一次全基因组复制事件,该复制事件优先保留的基因主要与营养代谢、信号传导、适应调节和组织结构生长相关。另外,福建莲座蕨的分子演化速率为1.66×10^(-9)(同义替换/位点/年),是除裸子植物外,陆生植物中已知演化速率最缓慢的类群。综合以上研究结果,我们推测福建莲座蕨全基因组复制的发生可能与裸子植物繁盛、核心被子植物集中兴起或托阿尔阶灭绝事件有关。而复制后显著保留基因可能促进了莲座蕨属(Angiopteris)植物的遗传和形态创新,从而帮助其快速适应环境的剧烈变化。进一步对该类群植物演化速率缓慢的原因进行讨论,推测莲座蕨属缓慢的演化速率可能与其本身世代周期长、基因组较大及其生长环境稳定有关。本研究通过分析福建莲座蕨的全基因组复制历史和复制基因的保留模式,推测全基因组复制事件对促进演化速率较慢的植物适应极端环境变化具有重要意义,可为理解其他陆生植物的适应性演化提供更多启发。

基于保护基因组学揭示荷叶铁线蕨的濒危机制

理解物种的濒危机制对生物多样性的科学保护至关重要。荷叶铁线蕨(Adiantum nelumboides)作为国家一级重点保护野生植物,其遗传多样性状况和濒危机制一直存在较大争议。本文利用简化基因组测序技术(genotyping by sequencing, GBS)对来自6个居群的28个荷叶铁线蕨样本测序,共获得29.6Gb的数据,并筛选得到9,423个高质量单核苷酸变异位点(SNP),通过遗传多样性和居群遗传结构分析,并结合不同气候情景下物种潜在分布区差异,探讨了荷叶铁线蕨的濒危原因和科学保护策略。结果表明:(1)荷叶铁线蕨具有较低的遗传多样性(H_(o)=0.138、H_(e)=0.232、P_(i)=0.373),同时种群间具有较低的遗传分化(F_(st)=0.0202)和基因流(N_(m)=1.9613);(2)所有样本均来自2个遗传分组,基因组大小为5.01-5.83Gb,且均为四倍体,GC含量约为39%-41%;(3)生态位模拟表明,与现代气候相比,在未来气候变化下荷叶铁线蕨的潜在分布区面积略有增加,但高适生区面积减小。其主要适生区向北迁移,影响其分布的主导因子为昼夜温差月均值和最冷季降水量。正是由于荷叶铁线蕨遗传多样性低,不同种群间遗传分化较低,再加上气候条件的变化,其适生区狭窄,导致其遗传多样性和种群数量急剧下降。因此,自身更新能力低以及过度的人为活动干扰可能是导致其濒危的主要原因。建议加强对荷叶铁线蕨的就地保护;通过生境恢复及自然回归等措施,增加居群间的基因交流,防止遗传资源丢失加剧。