裸子植物和被子植物之間的進化關係自古就是科學謎題。最近,北京...

2021-01-08 中國綠色時報電子報

 

  

  在琳琅滿目的植物世界,被稱為「開花植物」的被子植物無疑是最受關注的一類,不僅因為它們用絢爛的花朵將世界裝扮得奼紫嫣紅,它們孕育的累累碩果更是維繫人類文明的食糧。在研究領域,被子植物同樣備受關注,其中關於被子植物的起源與進化,自達爾文時代起,便成為植物進化領域裡的一個重大難題,達爾文直接將其稱為「令人討厭的謎題」。

  150多年來,不斷有人陸續聲稱找到了「達爾文謎題」的答案。人類陸續發現的遼寧古果、中華古果、始花古果、迪拉麗花、潘氏真花等原始被子植物的化石將被子植物的起源提前至1.62億年前的侏羅紀,它們為研究被子植物的起源問題提供了寶貴的資料,但這並非「達爾文謎題」的最終答案。

  「達爾文謎題」之所以難解,很重要的一個原因是被子植物起源於當時已經統治地球的更為古老的裸子植物,原始的被子植物與裸子植物一樣均為常綠木本植物,然而現存的植物中並沒有介於被子植物與裸子植物中間進化類型的物種,因此也沒有可供研究的直接材料。

  2013年,科學家對被子植物進化樹上一個早期分支的唯一後代無油樟進行了全基因組測序。分析結果暗示,約2億年前,最早的被子植物可能是其裸子植物祖先經歷基因組加倍後進化起源的。

  無油樟的基因組分析結果表明,從被子植物進化之初,花就是一個決定性的特徵。而現在主流觀點認為,被子植物的花是兩性起源的,即同時包含雄蕊與雌蕊的「完全花」是原始性狀,而一些被子植物的單性花又是後來從兩性花衍生進化的組織結構。有趣的是,裸子植物並沒有真正意義上的花,其生殖器官為大、小孢子葉球(俗稱為球花),球花具有典型的單性結構,現在的裸子植物也均為單性球花。因此,裸子植物的生殖系統從單性結構到兩性生殖結構的起源與進化便成了被子植物及花的起源研究中的謎中謎,同樣也是解決「達爾文謎題」的關鍵線索。  

  雖然有科學家對種子植物兩性結構的起源提出了一系列的理論假說,這些假說對於我們理解兩性生殖結構及被子植物的起源與進化提供了線索,但是通過實驗證明這些模型卻是十分困難的,因為除了已經滅絕的本內蘇鐵,現存的裸子植物中沒有通過嚴格的兩性生殖結構發育的物種,而裸子植物與被子植物各種生殖器官組織間精確的同源對應問題仍存在很多爭議,比較發育生物學實驗也難以開展。

  針葉樹是現存的最主要的一類裸子植物,雖然針葉樹同樣具有典型的單性生殖結構,然而,自上世紀初以來,兩性嵌合突變球花(簡稱兩性球花)在針葉樹中不斷被偶然發現,以致幾乎所有科的針葉樹物種中均積累了多起目擊報導。譬如,包括我國鄉土樹種油松在內,至今已有至少15種松屬針葉樹中報導過類似發現,這種偶發的兩性突變為兩性生殖結構的起源提供了難得的實驗線索。

  北京林業大學生物學院教授李偉團隊在對油松兩性突變球花開展多年田間觀察的基礎上,藉助最新的研究手段,對不同發育進程中的雌、雄球花及兩性球花的不同性別部分進行了高通量基因表達分析。他們的研究證實,油松兩性結構實際上來源於雄球花,這表明兩性生殖結構很可能起源於雌性結構在雄性結構上部(內輪)的異位發育。研究還發現,在發育過程中,雄球花遺傳調控程序具有非常好的魯棒性,也就是說,雄花可以「包容」部分雌性發育遺傳程序的異位表達,而並不影響已經完成性別決定部分組織結構的正常功能,使兩性球花具有「完全花」的功能,即雄性部分可以產生正常的花粉,雌性結構可以受精並產生種子。

  大部分裸子植物都依賴風力傳粉,這是一種十分消耗能量而且低效的方式,而被子植物則進化出了更新、更先進的蟲媒傳粉方式,這不僅幫助有花植物節省花粉的生產以保留更寶貴的能量,還促進了異交,使後代獲得更多的雜種優勢。因此,許多關於兩性起源的假說都認為,蟲媒傳粉的進化使兩性結構在進化之初便形成了選擇優勢,為被子植物的迅速繁茂推波助瀾。

  北京林業大學的這項研究卻提供了一種新的視角,認為蟲媒傳粉的進化對於被子植物的起源可能並不止於錦上添花,而很可能是至關重要的。因為他們觀察發現,兩性球花雄性部分雖然能產生正常花粉,但卻並不能正常散粉。如果兩性結構在進化之初也同樣喪失了依賴風媒傳粉的能力,那麼蟲媒傳粉機制進化的動力除了獲得雜種優勢外,兩性結構本身承受的選擇壓力很可能也發揮著重要作用。

  值得一提的是,探究針葉樹球花性別調控機制還有著重要的現實意義。

  針葉樹在北半球林業與生態環境中都有著重要地位。世界上現存最古老、最高、最大的生物分別是狐尾松、海岸紅杉、巨杉,它們全部屬於針葉樹,而針葉樹的繁育主要依賴種子繁殖,性別調控一直是針葉樹遺傳改良與良種繁育的技術重點與難點。現在,研究人員已經根據最新的發現,嘗試人為調控針葉樹的性別,並已通過田間試驗證實,兩性球花可以人為重複且穩定地誘導。這些研究進一步表明,裸子植物祖先有充分的潛力從雄性結構中進化出兩性結構。

  植物的進化從未停止,「達爾文謎題」的解答也仍在繼續。從有花植物茂林中的靈長類祖先,到東非熱帶大草原裡的早期人類,再到漫步在都市林蔭道上的現代人類,人類文明向前邁出的每一步,旁邊都盛開著各異的花朵。但很少有人能夠想到,這一切都要感謝2億年前,有一株裸子植物,突然有了一顆想開「花」的心。

相關焦點

  • 從裸子植物到被子植物
    ,合點受精雖和裸子植物一樣,但在被子植物進化水平較高的茄科和單子葉植物中的蘭科中也有這種現象等。因此,葇荑花序的單性花、單被花、風媒傳粉、合點受精和單層珠被等特點,都可以看作是植物演化過程中的退化現象,而非假花學說所認為的葇荑花序為原始。真花學說。前蘇聯Takhtajan和美國Cronquist主張的真花說認為,被子植物是由原始裸子植物中早已滅絕的本內蘇鐵目中具兩性孢子葉球的植物進化而來。
  • 為什麼說被子植物比裸子植物更高級?
    植物世界是我們賴以生存的資源中不可或缺的一部分,隨著地球上自然地理環境的變遷,植物界自身在不斷的矛盾中運動和發展著。它們從藻類→苔蘚→蕨類→裸子植物→被子植物依次不斷進化。在一定的地質時期中,總有一類佔據著主導地位,而其在發展過程中又會被較為進化的另一類植物所取代……世界總是在不斷進化著,那麼最後為什麼被子植物比裸子植物更高級呢?
  • 裸子植物與被子植物的區別
    本記錄的科、屬以中國植物志為準被子植物有1萬多屬,約30萬種,佔植物界的一半。它們形態各異,包括高大的喬木、矮小的灌木及一些草本植物。裸子植物的表面是裸露的,沒有果皮包被,例如銀杉、水杉等,而被子植物是有果皮包被的,例如我們常吃的蘋果、水蜜桃等。
  • ...被子植物 早侏羅世 中華古果 植物解剖學 道虎溝 裸子植物 大化...
    在地球上的30多萬種植物中,其中20多萬種都屬於被子植物。被子植物就是有花植物,是人們在自然界中最常見到的一大類植物。與其他各個類群的植物相比,被子植物不僅種類最多,而且與人類的關係也最密切。但是被子植物的起源問題,一直是植物學家備感困惑的演化生物學難題。
  • 古昆蟲與裸子植物存在顯著特異性擬態關係
    在國家自然科學基金、北京市自然科學基金等的持續資助下,首都師範大學昆蟲演化與環境變遷重點實驗室的王永傑、史宗岡和任東在昆蟲與植物的協同演化研究工作中取得了新進展,發現了距今1.65億年的中侏羅世時期昆蟲與當時的裸子植物之間存在著明顯的特異性擬態關係。近日,該成果在美國《國家科學院院刊》(PNAS)上在線發表。
  • 2020中考生物複習:裸子植物和被子植物
    中考網整理了關於2020中考生物複習:裸子植物和被子植物,希望對同學們有所幫助,僅供參考。   裸子植物和被子植物   1、裸子植物:種子裸露,無果皮包被。如松、水杉、銀杉、銀杏、蘇鐵、側柏。   2、被子植物(綠色開花植物):種子外面有果皮包被。
  • 種子植物--裸子植物
    教學目標  知識目標  1、通過了解裸子植物的形態結構和生活習性等特點,進而了解裸子植物的主要特徵。  2、了解裸子植物的經濟意義。  能力目標  引導學生對被子植物和裸子植物的花、果實的......
  • WEEK計劃|考點14:種子植物的分類2(裸子植物和被子植物)
    咱們生物中的種子有兩種分類:①一種是按照 子葉 的多少分為「單子葉植物」和「雙子葉植物」,點擊藍字複習
  • 初中生物《裸子植物和被子植物》教師資格證面試模板
    提問:這些植物的種子有什麼特點?(側柏的種子是裸露的;蘋果、桃、葡萄、豆莢的種子不是裸露的。)從而引出課題。(二)新課講授1.裸子植物的結構特徵與生活習性(1)裸子植物的結構特徵①教師引導學生觀察油松、側柏和蘇鐵等種子,引導學生總結它們的結構特徵。
  • Nature Plants:最進化的裸子植物買麻藤基因組測序完成
    該項目由中科院仙湖植物園深圳市南亞熱帶植物多樣性重點實驗室王曉明團隊,諾禾致源,比利時根特大學Yves Van de Peer團隊,中國科學院武漢植物園中-非聯合研究中心王青鋒團隊等聯合完成。買麻藤植物是一種裸子植物,被認為是被子植物的原始近源種。在形態上具有許多被子植物的特徵或者向被子植物過度的特徵。
  • 花和草還有果哪一個是最早的被子植物?
    從進化歷史的角度來說,被子植物,也就是開花植物,絕對是植物世界的王冠。花是美麗的象徵,代表了植物世界繁殖策略的最高水平。美豔的花朵不僅讓大自然顯得更加美麗,而且造就了龐大的昆蟲家族,影響了脊椎動物的進化歷程。蝴蝶舞翩翩、蜜蜂響嗡嗡,無不是在為花的怒放演奏美妙的交響曲。正是由於被子植物如此重要,因此科學家們一直試圖破解被子植物的起源和進化之謎。
  • 教學設計>​​初中生物《裸子植物和被子植物》教師資格證面試模板
    提問:這些植物的種子有什麼特點?(側柏的種子是裸露的;蘋果、桃、葡萄、豆莢的種子不是裸露的。)從而引出課題。(二)新課講授1.裸子植物的結構特徵與生活習性(1)裸子植物的結構特徵①教師引導學生觀察油松、側柏和蘇鐵等種子,引導學生總結它們的結構特徵。
  • 種子植物和被子植物的區別,科普一下
    根據種子外面是否有子房壁(果皮)包被,可分為兩大類:裸子植物,現存700多種;被子植物,出現於1.3億年前,現20多萬種。他們生於陰溼的地方,遍布世界各地。裸子植物門生活史中孢子體佔優勢,大多數為常綠的喬木。配子體十分退化不能離開孢子體獨立生活。產生種子,不過胚珠和種子是裸露的。
  • 《科學》:科學家發現昆蟲與蟲媒裸子植物之間傳粉新模式
  • 每日摘要:核心被子植物五大類群之間的系統演化關係(Plant Communications)
    這五大類群之間的系統發育關係長期是爭論的熱點。本文中,作者選擇151個被子植物五大類群的代表性物種並篩選1594個基因,通過溯祖法和串聯法來構建被子植物早期分化類群的系統發育關係。作者首先對這1594個基因進行了系統發育信號檢測,結果發現超過一半的基因缺少被子植物系統發育主幹上的發育信號。
  • 世界上最早的草本被子植物是我國科學家發現
    我國科學家發現1.64億年前中侏羅世地層中的一種草本植物化石,這個目前世界上已知最早的草本被子植物的發現,促使人們重新審視前人提出的被子植物演化觀。拼版照片:左圖是中侏羅世的渤大侏羅草化石,右圖是渤大侏羅草的復原圖。
  • 植物的演化
    緊接著的地殼運動與氣候變遷,苔蘚植物逐漸進化成蕨類,以後便出現了裸子植物,進化出花粉管,並完全擺脫對水的依賴,形成茂密的森林,也就進入了裸子植物時代。大約1億年以前,在地形上爆發了一個植物界最大的家族——被子植物。直到現在,被子植物依然是存在於地球上的最高等植物。
  • 新知問答|為什麼裸子植物普遍都長得很筆直?
    從此以後,負責植物生長的任務交給了一個全新的組織——芽。芽是植物莖上處於休眠狀態的雛體,經過營養生長發育成植物的枝條,通常產生於葉腋或莖尖處。在生長素的作用下,分生組織細胞分裂和分化,形成皮系統、基本組織系統和維管系統,稱為初生結構。維管系統在生長季進行活躍的細胞分裂,向內和向外分別分化形成木質部和韌皮部,使得植物的莖不斷加粗生長,參天大樹也就逐漸長成。
  • 裸子植物的「裸」到底是怎麼一回事
    當然是,但球果不是果實,你看到的那一片片木質的結構是鱗片,種子就裸露在鱗片之間的縫隙中。每個鱗片的懷抱裡都有那麼兩枚小小的種子。「裸」就是這樣得來的。如蘇鐵、側柏、水杉等植物的種子是裸露著的,這樣的植物稱為裸子植物。
  • 古多倍化在被子植物進化適應的遺傳貢獻
    達爾文描繪了晚白堊紀中期「一個惱人之謎」-被子植物快速發展和早期多樣性的形成。當前,被子植物作為地球上的優勢物種,從熱帶到極地地區以及水生地區都有覆蓋。這種成功得益於被子植物進化歷史中的全基因組複製事件。全基因組複製事件被認為是進化上的重要驅動力,不管是物種形成、適應性進化或是多樣性產生。最近的兩次刪除和巨大影響已經說明全基因組複製事件相比之前的進化歷史更廣布於有花植物中。