多樣雲南|新發現!橫斷山是高寒植物的起源地和避難所

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中國科學院西雙版納熱帶植物園星耀武研究團隊研究員指導博士研究生丁文娜研究推斷出,橫斷山的高寒生物區是世界上已知起源最早的高寒生物區,是高寒物種起源和分化的搖籃,相關研究成果於7月31日在線發表在國際權威學術期刊《科學》雜誌。

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高寒植物是高山隆升後植物適應極端或極限生存環境的產物,在嚴酷的自然環境中,高寒植物進化出特殊的抗寒、抗旱、抗紫外線的機制,是人類重要的基因寶庫。全球高寒生物區約有10000種高等植物,研究高寒地區生物多樣性的起源與演變及對環境變化的響應,不但可以認識山地多樣性形成的過程,而且還可以用來預測未來氣候變化對高寒植物多樣性的影響。

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(橫斷山高寒植物)

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世界第三極高寒生物多樣性的形成時間是一個難以解開的謎

青藏高原及周邊的橫斷山和喜馬拉雅山區被稱為世界屋脊和第三極,擁有全球海拔最高的高寒生態系統及最豐富的高寒植物多樣性。科學界對安第斯山、東非高山、阿爾卑斯等地區高寒生物多樣性的形成時間的研究表明,其生物多樣性快速增加的時間大都在晚中新世–上新世(距今500萬年)以後,這與其最後階段的山體隆升和高寒環境形成的時間大致相同。而此前根據不同的研究方法得到的結果,青藏高原及周邊的橫斷山和喜馬拉雅山區的高寒生物多樣性的形成時間可能很古老也可能很年輕,這成為一個長期困擾科學界的謎。據最近的統計結果橫斷山高寒地區種子植物達3000種以上,佔了全球高山植物的30%,使其物種豐富度上可與熱帶安第斯山脈的高寒生物區相媲美,是高加索地區的3倍,阿爾卑斯的5倍,同時也遠高於面積更廣闊的青藏高原和喜馬拉雅地區。而此前根據不同的研究方法得到的結果,青藏高原及周邊的橫斷山和喜馬拉雅山區的高寒生物多樣性的形成時間可能很古老也可能很年輕,這成為一個長期困擾科學界的謎。

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(橫斷山植被)

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(在橫斷山高寒地區經常可見大面積生長的北方雪層杜鵑灌叢(Rhododendron nivale subsp. boreale Shrubland),攝於4300 m的白馬雪山埡口)

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橫斷山是揭開世界第三極高寒生物多樣性形成神秘面紗的關鍵

橫斷山區位於青藏高原東南緣,金沙江、瀾滄江、怒江三條大江在其間並行奔流,形成了高差懸殊的複雜地貌及垂直分布明顯的植被帶。橫斷山的高寒生物多樣性,是生物多樣性熱點地區中的熱點,其多樣性形成歷史及對環境變化的響應對於認識全球植物多樣性分布格局有重要意義。據最近的統計結果橫斷山高寒地區種子植物達3000種以上,佔了全球高山植物的30%,使其物種豐富度上可與熱帶安第斯山脈的高寒生物區相媲美,是高加索地區的3倍,阿爾卑斯的5倍,同時也遠高於面積更廣闊的青藏高原和喜馬拉雅地區。

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(適應高寒生境的墊狀植物——高原點地梅(Androsace zambalensis))

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(具溫室結構的雪球植物(snowball plant)——水母雪兔子(Saussurea medusa))

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橫斷山是世界上已知起源最早的高寒生物區 是高寒物種起源和分化的搖籃

傳統上傾向於將青藏高原及周邊的橫斷山和喜馬拉雅山區這三個區域作為一個整體研究,很少將橫斷山與喜馬拉雅和青藏高原地區加以區分和比較。為了回答青藏高原及周邊的橫斷山和喜馬拉雅山區高寒地區植物多樣性的起源時間,成分來源及其驅動因素,深入解析該地區的多樣性演化過程,揭示其與環境變化之間的關係,中國科學院西雙版納熱帶植物園星耀武研究團隊研究員指導博士研究生丁文娜,選取橫斷山及其鄰近高寒生物區多樣性較高的18個被子植物類群共計3798種植物,整合地理分布區和生物區的演化建立了一個新的生物地理模型,分別計算不同地區就地演化速率和遷移速率以及多樣性隨時間的積累,從而推斷橫斷山、喜馬拉雅和青藏高原高寒生物區是如何形成和演變的.

研究結果顯示,橫斷山高寒植物多樣性的積累始於早漸新世(距今3400萬年),是世界上已知起源最早的高寒生物區,之後分別在距今2300至1500萬年和1000萬年至700萬年兩個時期就地演化速率加快,是新近紀降溫、造山運動與季風演化共同作用的結果。除就地演化外,橫斷山高寒生物多樣性的另一主要來源是非高寒植物 (中低海拔)通過適應遷移至高寒去而來的,而喜馬拉雅和青藏高原的高寒類群主要來源都是橫斷山,尤其在近250萬年以來,從橫斷山高寒地區擴散到喜馬拉雅和青藏高原高寒地區的速率明顯加快,分別貢獻了遷入喜馬拉雅和青藏高原的高寒類群總和的42 %和44 %。因此,橫斷山不僅是保存該地區最豐富高寒物種的博物館,也是整個青藏-喜馬拉雅-橫斷山地區高寒生物多樣性起源的搖籃。橫斷山的高寒生物多樣性形成歷史對認識與其毗鄰的青藏高原和喜馬拉雅的生物多樣性形成歷史至關重要,並且在其中扮演了非常關鍵的角色,從而強有力地證明了保護這個溫帶生物多樣性熱點地區的重要性。

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(古冰川遺迹上盛開的(Rheum alexandrae))

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新的生物地理模型讓追溯特定植被類型的演化歷史成為可能

有別於傳統的通過單個或少數類群的分化時間來推測特定植被類型的起源,本研究建立了一個整合地理分布區和生物區演化的新生物地理模型。該模型以地理分布區和生物區聯合演化為特點,在其分布區和生物區演化的同時伴隨著物種形成和滅絕事件,同時估計包括拓殖事件在內的多個進化過程,進而綜合古植物、古生態和地質學等多學科方法探討高寒生物多樣性的起源和演化。該研究框架可為研究全球範圍內其他特定生物區多樣化研究提供借鑒,使追溯某一地區特定植被類型的演化歷史成為可能。

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(喜馬拉雅藍罌粟——大花綠絨蒿(Meconopsis grandis))

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(野外科考)

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