植物為什么會長刺？答案竟在青藏高原

植物世界的“美好”常常伴隨著一種“傷害”。玫瑰、多肉、仙人掌……這些帶刺植物無不與動物、人類保持著“相愛相殺”的關系。

植物為什么會長刺？刺最早產生于何時？又是如何演化的？科學家對于這些有趣的問題卻始終缺乏深入研究。

幾年來，中國科學院西雙版納熱帶植物園（以下簡稱“版納植物園”）古生態研究組和中國科學院古脊椎動物與古人類研究所聯合組建的青藏高原古生物科考隊，在青藏高原中部找到了一個化石植物群，它擁有目前全球已知的形態數量最多的刺化石。科學家們抽絲剝繭，終于從中探知到了帶刺植物演化歷史及其成因的直接證據。這一研究結果近期發表在了《自然·通訊》。

被“冷落”的刺化石

從2016年開始，古生物科考隊就連年在青藏高原中部的班公湖-怒江縫合帶新生代沉積盆地進行古生物科學考察，幾年里積累了晚始新世（距今約3900萬年）的大量植物刺化石。

這些來自倫坡拉盆地和尼瑪盆地的刺化石標本共有44份，根據形狀、大小、生長方式等特征，被劃分為皮刺和枝刺，共計7種形態類型，這也是目前全球已知的刺形態數量最多的化石植物群。

青藏高原中部晚始新世（約39 Ma）7種形態類型的植物刺化石及現生帶刺植物  張馨文供圖

北美、歐洲化石植物群中，曾有過一些刺化石記錄，數量不多，科學家也沒有單獨對它們進行過深入研究。青藏高原的這批刺化石盡管被帶到了版納植物園的實驗室，卻也被“冷落”了近三年。

“這批刺化石雖然數量眾多，形態各異，但是由于細節特征的缺乏，要把這些化石進一步定到屬種，甚至是科幾乎都是不可能的。”連版納植物園研究員、古植物學家周浙昆在初見它們時也不由地產生了雞肋的感覺。

2019年，這些化石交到了版納植物園古生態研究組博士研究生張馨文的手上，除了分類信息描述，困擾她的是如何才能講出一個全新的有關刺化石的科學故事。

“看到現生的帶刺植物，我們很容易就會聯想到它們在生態系統中具有重要的環境指示意義。” 論文第一作者張馨文告訴《中國科學報》。

她解釋，刺是植物的一種特化器官，可能來自特化的葉片、莖干或者表皮。由于刺的表面積非常小，可以減少蒸騰作用，從而幫助植物適應一些相對干旱的環境。同時，刺還是植物的一種防御結構，能夠有效降低植食動物的啃食頻率。因此，帶刺植物最典型的生存環境是熱帶稀樹草原。

“我們對現生帶刺植物有充分地了解，古生物又是一門將今論古的學科，我們便大膽推測，刺之所大量出現，也和這些環境因素相關。”張馨文表示，研究團隊確定從刺的生態學意義入手開展研究。

帶刺植物為何會“爆發”

到目前為止，科學家還沒有明確找到最早的帶刺被子植物的化石記錄，但根據分子系統發育分析結果顯示，它們最早出現于晚白堊紀，當時，隨著被子植物大爆發，帶刺植物也開始出現了。

在這項研究中，研究團隊也結合了分子系統發育分析，重建了新生代歐亞大陸帶刺植物類群的譜系累積曲線，結果發現，帶刺植物自始新世開始迅速分化，到了晚始新世之后，物種多樣性甚至呈現出倍數增長，這一時間與青藏高原這批刺化石的地質年代吻合。

“這也印證了我們的一個想法，我們找到刺化石類型非常多樣，意味著，帶刺植物從晚始新世開始就迅速分化了。”張馨文說道。

可當時的帶刺植物多樣性迅速增加究竟是什么原因造成的？是否與生態環境有關？

在同一層位，研究人員除了找到大量刺化石，還采集到了豐富的草本植物化石，共計315份，占到同層位所有植物標本數量的38%。他們還對同套地層進行逐層的微體化石分析，發現了大量由草本植物產生的植硅體，比如畫眉草亞科的短鞍型植硅體、早熟禾亞科的帽型植硅體，以及竹亞科的扇形植硅體等。“這些草本植物想要茁壯成長，意味著當時的環境是一種開闊的生境，而非郁閉森林。” 張馨文解釋。

同層位的典型植硅體及草本植物化石  張馨文供圖

為了進一步驗證對這一環境類型的猜想，研究團隊還利用英國布里斯托大學的大氣-海洋環流模型和Triffid模型模擬了當時的古氣候和古植被，再結合化石植物群的古環境重建結果證明，隨著新特提斯洋在古近紀的退縮，沿班公湖-怒江縫合帶的中央谷地呈現出逐漸干旱的趨勢，加上全球氣候變冷，那里的植被由中始新世的密閉森林（距今約4700萬年）轉變為了開闊林地，既有高大的喬木、中等高度的灌木，也有低矮的草本植物。

有意思的是，研究人員在查詢青藏高原及其周邊地區658條動物化石記錄后發現，當時的環境中大型植食性哺乳動物的多樣性也開始增加。

“由于開闊林地的存在，大型植食性哺乳動物享有了更為豐富的食物來源，這也必然會造成動物對植物的取食壓力增加，進而促進了青藏高原中央谷地開闊林地植物刺的演化。”張馨文強調，這比非洲發生的類似轉變早了約2400萬年。

“這個研究故事說明了化石對于認識植物功能性狀演化的重要性。”張馨文表示，研究證明了晚始新世青藏高原中央谷地的干旱化以及大型植食性哺乳動物的取食壓力，共同驅動了刺這一功能性狀的快速演化。也說明了青藏高原在地質歷史時期的環境變化不僅對亞洲甚至更廣泛地區的植物多樣性有著深刻影響，還塑造了該地區的植物功能性狀。

而周浙昆認為，這項研究的亮點還在于結合了大化石、微體化石、系統發育分析和模型模擬等多種方法和手段，是古植物學、古脊椎動物學、古氣候模擬、分子生物學以及生態學交叉融合的產物。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-022-31512-z