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陈之端团队Current Biology：重建马达加斯加维管植物生命之树

2024-03-13 15:46

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创 Cell Press CellPress细胞科学

生命科学Life science

2024年3月8日，中国科学院植物研究所陈之端研究员领衔的植物大数据与生物多样性保护研究团队与合作者在Cell Press细胞出版社旗下期刊Current Biology上以“Spatial heterogeneity of neo- and paleo-endemism for plants in Madagascar”为题发表研究论文。该研究基于多年野外调查和材料收集，重建了马达加斯加维管植物生命之树，结合物种分布数据，全面评估了其维管植物多样性热点和特有中心的空间异质性，并识别出6个长期被忽视的保护空缺，为更新马达加斯加生物多样性保护方案提供了进一步证据和新的视角。论文由中国、马达加斯加、澳大利亚、英国学者合作完成，中国科学院植物研究所鲁丽敏研究员、刘冰副研究员为共同通讯作者，博士研究生Wyckliffe Omondi Omollo为第一作者。

尽管人们早已认识到保护生物多样性的重要性和紧迫性，但确定哪些区域亟需优先保护并不容易。已有研究表明，物种丰富度高的地区并不总与特有性或进化历史热点区域一致。多维度全面评估生物多样性的空间异质性并据此识别优先保护地，对于利用有限资源提高保护成效至关重要。

马达加斯加是世界第四大岛，拥有干旱森林、湿润森林、多刺森林和草原-林地交错区等丰富的植被类型（图1），是全球最重要的生物多样性热点之一。由于长期与临近大陆隔离，马达加斯加的生物类群演化相对独立，形成了高度的多样性和特有性。据记载，马达加斯加拥有超过11,990种本土维管植物，分属1,743属和253科；其中，82%的种和19%的属是该岛独有的。但是，农耕活动无序扩张、自然资源过度开发和全球气候变化，给马达加斯加的生物多样性带来了前所未有的压力（图1）。

图1. 马达加斯加植被分区（A.干旱森林；B.湿润森林；C.多刺森林、D.草原-林地交错区）和导致生物多样性丧失的主要人为因素。

研究团队与合作者基于多年野外调查和材料收集，重建了马达加斯加维管植物生命之树，涵盖1,621属、3,950种，属、种占比分别达到该岛维管植物总数的93%、33%；其中，特有属取样包括211属（占该岛特有属的69%）。本研究新测序序列3,605条，覆盖了1,190个物种、611属。研究发现，马达加斯加特有属主要集中分布在多个具有较高丰富度和系统发生多样性的支系，如龙胆目（Gentianales）、禾本目（Poales）、豆目（Fabales）、菊目（Asterales）、天门冬目（Asparagales）等（图2）。研究人员进一步统计了不同地史时期特有属出现的数量和比例，发现大多数特有属起源于早中新世之后。

图2. 马达加斯加维管植物生命之树简化树及各目的丰富度、特有性和系统发生多样性。

结合物种分布数据，研究人员进一步评估了马达加斯加生物多样性热点和特有中心的空间分布规律。基于类群丰富度、类群特有性、系统发生多样性等指标，研究人员发现，马达加斯加维管植物多样性在空间分布上是不均匀的，热点主要集中在北部、东部和东南部湿润森林。基于系统发生的新、古特有分类分析表明，古特有中心集中分布在东部、中部的湿润和半湿润地区，而新特有中心则集中在西部和南部的干旱多刺森林（图3A）。对各植被区特有属的统计分析表明，东部和中部古特有属的比例较高（52%–55%），而西部和南部新特有属占比更高（73%–84%）（图3A）。通过统计不同类型特有中心对应的环境因子发现，古特有中心倾向于分布在海拔较高、年降水量较多以及年均温较低的湿润、半湿润地区，而新特有中心则倾向于分布在海拔较低、年降水较少以及年均温较高的干旱、半干旱地区（图3B–D）。这说明干旱在促进新特有类群多样化方面起着重要作用，支持马达加斯加维管植物新、古特有中心在空间分布上的异质性。

图3. 马达加斯加维管植物类群特有性与系统发生特有性空间分布（A）与新、古、混合特有中心各自对应的环境因子统计（B–D）。

最后，研究人员将多样性热点、特有中心与现有保护地进行叠加分析，在马达加斯加西部和南部发现6个长期被忽视的保护空缺区域（图4）。虽然该国扩大保护区网络的能力有限，而且大多数资源可能最好用于提高现有保护的有效性，但优先考虑额外的保护区域仍是实现《昆明-蒙特利尔全球生物多样性框架》目标的关键一步。本研究为更新马达加斯加生物多样性保护方案提供了进一步的证据和新的视角。

图4. 马达加斯加维管植物多样性热点（A）、特有性中心和保护空缺（B）。

作者专访

Cell Press细胞出版社公众号特别邀请鲁丽敏研究员代表研究团队接受了专访，请她为大家进一步详细解读。

CellPress：

团队为何选择马达加斯加作为研究对象？

鲁丽敏研究员：

非洲拥有极为丰富的自然资源和生物物种，加强与非洲国家的生态环境与生物多样性保护合作，既可以丰富人类命运共同体的内涵，又可以为全球环境治理贡献中国力量。而马达加斯加以其高水平的生物多样性和特有性，素有世界“第八大洲”之称，更是各国生物学家研究的焦点。多年来，在中国科学院中-非联合研究中心的支持下，我们团队先后对马达加斯加开展了6次野外科考，培养了2名来自当地的留学生，并与塔那那利佛大学学者建立了密切的合作关系，这让我们积累了丰富的研究材料，为开展马达加斯加生物多样性研究创造了条件。在考察期间，我们也亲眼目睹了当地原始的农耕方式和对自然资源的过度开发给生物多样性带来的巨大压力。因此，我们迫切希望利用我们在相关领域的研究经验，为揭示当地生物多样性分布格局、完善生物多样性保护策略贡献一点绵薄之力。

CellPress：

这项研究最重要的新发现是什么？这对于生物多样性保护实践有什么意义？

鲁丽敏研究员：

过去，马达加斯加的生物多样性保护多聚焦于北部、东部和东南部的湿润森林地区，而我们基于系统发生的新、古特有分类分析发现，在西部和南部的干旱、半干旱地区分布着多个新特有中心，这说明干旱在促进新特有类群的多样化方面起着重要作用。在此基础上，我们发现了6个长期被忽视的保护空缺，这为马达加斯加未来扩大保护区域面积、更加全面地保护生物多样性提供了科学依据。

值得一提的是，自2022年COP15通过《昆明-蒙特利尔全球生物多样性框架》以来，每个国家都面临着完成更高保护目标的压力，但如何识别额外的值得保护区域仍是难题。我们团队包括本研究在内的多项工作都说明，以生命之树为手段、从进化历史角度出发，可以发现更多保护空缺，相关研究结果可为国家自然保护地规划提供重要参考。

CellPress：

团队的下一步研究计划是什么？

鲁丽敏研究员：

尽管已被描述的维管植物种类已达一万多种，但和其他生物多样性热点地区一样，马达加斯加仍有许多研究空白地区，有大量新物种有待发现。例如，我们团队留学生就在马达加斯加发现不少葡萄科多肉植物的新物种。下一步，我们希望与中-非联合研究中心和国际合作者共同努力，对马达加斯加开展更为深入的野外科考，摸清该岛植物类群家底，在此基础上构建更为精细的物种水平生命之树，为马达加斯加生物多样性保护和植物资源开发利用提供更加全面的科学依据。

作者介绍

鲁丽敏

研究员

中国科学院植物研究所研究员，博士生导师。担任Australian Systematic Botany和Molecular Phylogenetics and Evolution副主编、《植物资源与环境学报》编委。主要从事植物生命之树重建与生物多样性保护研究。主持国家自然科学基金优秀青年科学基金项目等多项科研项目，分别入选中国科协青年人才托举工程和中国科学院青年创新促进会。以第一或通讯作者在Nature、National Science Review、Current Biology、New Phytologist等国际学术期刊发表论文40余篇，研究成果入选2018年度“中国生命科学十大进展”。

刘冰

副研究员

中国科学院植物研究所副研究员，主要研究方向为植物分类学和生物地理学，研究类群为樟目和檀香目，目前为“中国生物物种名录”植物名录负责人。在国内、国际期刊以第一作者和通讯作者发表论文20余篇，其中在Nature、Molecular Phylogenetics and Evolution、Journal of Systematics and Evolution、Phytotaxa等SCI刊物上发表论文19篇。主编《中国常见植物野外识别手册》山东册和北京册。主持国家自然科学青年基金项目、面上项目，及中国科学院、科技部等项目，并参与多项国家自然科学基金项目和中国科学院境外机构建设项目。