科普:存活了上億年的銀杏為什麼沒有滅絕?

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來源: 北京青年報 作者:周煒 編輯:付勇鈞 2019-09-30 11:00:54

內容提要:銀杏是世界上現存最古老的樹種之一,其2.7億年的漫長身世讓人不禁好奇:它們何以挺過滄桑巨變走到今天?未來命運又會怎樣?

銀杏是世界上現存最古老的樹種之一,其2.7億年的漫長身世讓人不禁好奇:它們何以挺過滄桑巨變走到今天?未來命運又會怎樣?浙江大學、中國科學院植物研究所和華大基因研究院的科學家通過5年的通力合作,在完成銀杏首個基因組草圖後,對全球545棵銀杏大樹進行基因組重測序,構建起迄今最大的銀杏遺傳數據庫,為人類認識銀杏的進化歷史與進化潛力提供了重要信息。相關論文於2019年9月13日在Nature Communications雜志發表。

孤獨的活化石

銀杏在全球廣泛種植,可謂最受人類喜愛的植物之一,而孤獨是它鮮為人知的另一面。“現生銀杏是古老的銀杏家族唯一幸存的成員。”論文第一作者、浙大生命科學學院副教授趙雲鵬說。

世界各地發現的化石表明,銀杏類曾在恐龍時代盛極一時,那時,不同屬、不同種的銀杏“兄弟”類目繁多、遍布南北半球,儼然一個龐大的銀杏家族。一億年前,有花植物開始快速崛起,銀杏家族走向衰落,成員們陸續退出歷史舞臺。與現存銀杏親緣關系最近的是克恩銀杏,它分化獨立於5600萬年前,也早已經在地球上絕跡了。

在裸子植物四大家族之一的“銀杏綱”裡,如今只留下孤零零“銀杏”一個種。神奇的是,它忠實保留著億萬年前祖先的模樣——扇形帶凹缺的葉片,有時深裂為二——化石裡如此,現實中也是如此。正是因為這種遺世獨立、形態“靜滯”的風范,達爾文說它是植物王國的“鴨嘴獸”。它還有個更為通俗的名號——“活化石”。

關於銀杏這種“活化石”,有兩個問題一直懸而未決:第一,世界上是否還存在野生銀杏種群?在哪裡?第二,銀杏在進化上是否已經陷入“滅絕旋渦”?

三個“避難所”都在中國

植物“避難所”是野生種群存在的前提。在全球經歷極端氣候特別是冰川期時,物種大幅滅絕衰退,一些地貌復雜的山谷可能會成為殘存森林及其幸運物種的“避難所”,物種的蹤跡逐漸收縮到這裡,等氣候轉好,它們又會重新向外面的天地生發。

尋找“避難所”種群,成為浙大植物系統進化研究團隊20年前就開始的工作。在時任浙大生科院院長的洪德元院士提議下,團隊負責人傅承新教授把這項研究納入了973課題。我國東部的天目山保護區內一共有銀杏大樹254棵,對於它們是否為野生種群,學術界一直存在爭議。有學者認為,由於天目山宗教活動歷史悠久,這些銀杏有可能是僧人引種的結果。

“首先,我們是從種群水平判斷是否野生,而不是評價單個植株。其次,從外形看,野生與人工栽培的種群難以直接判斷。”趙雲鵬說,“但是基因不會說謊,通過遺傳信息分析,我們可以根據基因多樣性、稀有基因的頻率、遺傳成分的起源和形成過程等信息,結合野外調查結果,來判斷是否野生。”

研究一共從全球搜集到545個代表性銀杏樣本,樹木胸徑都在50厘米以上(50厘米的銀杏樹齡大約100歲),它們分別來自中國、韓國、日本、北美洲和歐洲。“樣品幾乎覆蓋了全球銀杏所有已知的自然分布范圍和著名大樹,是迄今為止銀杏樣品采集覆蓋范圍最廣的。”共同第一作者、研究生殷平平說。

通過種群遺傳結構和動態歷史模擬分析,研究團隊鑒定出銀杏的4個古老遺傳成分存在於中國的3個“避難所”:東部(浙江天目山為代表)、西南(貴州務川、重慶金佛山為代表)以及南部(廣東南雄、廣西興安為代表)。此外,大巴山脈和湖北大洪山區分布的銀杏是南部和西南部種群在冰期形成的混合種群。

通訊作者之一、浙大生科院傅承新教授說,這些不同的“避難所”,保留了現存銀杏的不同“家系”。在更新世晚期(51萬至14萬年前)的多次冰期中,不同避難所的種群之間產生了分化,不同避難所特有遺傳成分的混合也在進行。

該研究進一步表明,目前遍布全球的銀杏幾乎均源自以浙江天目山種群為代表的中國東部種群。“銀杏是先遷移到日本和韓國,再從中國東部遷移到歐美,而且歐洲的銀杏源自中國。” 趙雲鵬介紹,在此之前,人們一直誤以為歐洲的銀杏是日本遷移而至。“遺傳成分分析告訴我們,歐洲現存的遺傳成分更接近於天目山銀杏,而與日本的銀杏差異較大。”

著名植物學家彼得·克蘭曾在《銀杏:被時間遺忘的樹種》一書中深情地描述銀杏“是中國送給世界的珍貴禮物”。今天,這句話有了更有力的科學證據。

基因仍然“元氣滿滿”

著名古生物學家周志炎院士曾表示,雖然銀杏樹依然存活於世,但實際上已進入演化的衰落期。他無不傷感地說:“銀杏屬內的多樣性已日趨減少,與之相隨的現象是物種的凋零和分布地域的日趨局限。”

事實是否真是如此?在這項研究中,研究團隊給出了樂觀的答案。他們發現,銀杏在物種水平維持了較高水平的遺傳變異。

“雖然就銀杏科或銀杏屬而言,現存物種多樣性極低,但現存銀杏是具有足夠適應潛力的物種,並非處於滅絕旋渦或進化末端。”

趙雲鵬說,“較高水平的遺傳變異及檢測到的適應性基因,多次遭遇冰期導致種群規模壓縮後又重新恢復,再加上在冰期和間冰期可能都存在較廣的潛在分布區,意味著銀杏在面臨環境變異時,有較多的應對‘方案’。我們相信,銀杏還在繼續進化,至少不至於很快滅絕,甚至有可能東山再起,重現昔日銀杏家族的榮光。”

“但,人類還不能因此掉以輕心,因為一些新的危機正在出現。”趙雲鵬說,他們在野外監測時發現,許多野生的銀杏大樹周邊,已經10年幾乎沒見天然更新的幼樹和超過3年的成活幼苗。“我們猜測,可能是森林郁閉度較高,結實率和幼苗成活率下降;同時,松鼠等動物取食銀杏種子,進一步加劇了種子量的減少,而造成銀杏的‘斷代’。這急需人類再次伸出援手,給予精准重點保護。”趙雲鵬說。

另一個危機是,大多數銀杏的野生種群不在自然保護區內,生態環境破壞、人類移栽對銀杏造成了嚴重的威脅。

要讓銀杏生生不息,除了科學,人類還需要付出更多的智慧與愛。

  

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