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近期，北京大學(xué)地空學(xué)院、中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所、中國地質(zhì)博物館、美國康奈爾大學(xué)等多家單位的研究人員，合作報道了產(chǎn)自浙江長興泥盆紀(jì)晚期地層（五通組）中的一類全新種子植物，并通過計算流體力學(xué)（CFD）方法，定量分析了早期胚珠（種子的發(fā)育前體）捕獲花粉的空氣動力學(xué)性能，為早期種子植物的形態(tài)演化及風(fēng)媒傳粉策略提供了新見解。相關(guān)成果發(fā)表于《英國皇家學(xué)會會刊B輯》（Proceedings of the Royal Society B）。 此次報道的種子植物化石包含分枝系統(tǒng)、羽狀復(fù)葉、胚珠（種子）等。胚珠成對著生在能育枝的頂端，具四裂片式珠被，每個胚珠的側(cè)部具二裂式托斗。這些形態(tài)特征與目前已知的其他種子植物不同，代表了一個全新類型。研究人員將其命名為二裂在君木（Zaijunia biloba），以紀(jì)念丁文江先生（字在君）在中國地質(zhì)學(xué)科初創(chuàng)時期的奠基性貢獻(xiàn)。  圖1 在君木（Zaijunia）的分枝系統(tǒng)與胚珠 產(chǎn)自浙江長興上泥盆統(tǒng)五通組 標(biāo)本采集：黃璞、薛進(jìn)莊、王德明等  圖2 在君木（Zaijunia）的胚珠及能育枝系統(tǒng) 繪圖：馬贊頤 形態(tài)比較及系統(tǒng)發(fā)育分析表明，在君木與歐美地區(qū)發(fā)現(xiàn)的Elkinsia、Moresnetia、Archaeosperma等早期種子植物最為相似，分類學(xué)上它們可歸入種子蕨綱Elkinsiaceae（埃爾金斯科）。 研究人員發(fā)現(xiàn)，在君木的成對胚珠構(gòu)成一個繁殖單元，在基本組構(gòu)方面與Elkinsia一致，均包括珠被、托斗、越頂生長的繁殖頂枝三個相對獨立的發(fā)育模塊，但在君木的托斗極為簡單、弱小，代表一種最原始的狀態(tài)。通過在君木繁殖單元三個模塊的復(fù)制（及微小變異），即可形成Elkinsia等植物較為復(fù)雜的胚珠構(gòu)型。因此研究人員提出，繁殖單元復(fù)制是早期種子植物形態(tài)演化的一個可能路徑。  圖3 在君木（Zaijunia）與北美地區(qū)Elkinsia繁殖單元之間的對比 比例尺均為5 mm，i、iii為側(cè)視；ii、iv為頂視； 三維模型復(fù)原：李炳鑫 接下來，研究人員探討了不同胚珠構(gòu)型在傳粉方面的差異。 種子植物的雌性繁殖體在成熟前被固定在植物體上，因此，胚珠能否接收到花粉是植物能否完成有性生殖過程的決定性因素。早期種子植物的輻射發(fā)生在泥盆紀(jì)晚期，但該時期缺少傳粉者（如飛行昆蟲、鳥類和哺乳動物等），因此前人推測該時期的種子植物只能通過非生物途徑傳粉。 美國康奈爾大學(xué)Karl Niklas教授在上世紀(jì)80年代開創(chuàng)性地使用人造胚珠模型開展風(fēng)洞實驗，研究早期種子植物的風(fēng)媒傳粉性能。但限于當(dāng)時的技術(shù)條件，只能間接獲得氣流狀態(tài)，在可視化、仿真度、空間分辨率和定量分析方面不夠充分，而這正是近些年興起的計算流體力學(xué)的優(yōu)勢。 在本項研究中，研究人員重建了三類早期胚珠（包括在君木、Elkinsia和Pseudosporonites）的三維數(shù)字模型，通過計算流體力學(xué)方法定量模擬了它們的空氣動力學(xué)性能，進(jìn)而評估它們利用空氣傳粉的效率。 模擬分析表明，裂片式的珠被和多樣化的托斗可以顯著降低胚珠頂端的氣流速度，氣流減速后，其攜帶的花粉才可能被釋放在胚珠頂端，繼而完成授粉。Pseudosporonites胚珠的空氣流動狀態(tài)由珠被裂片主導(dǎo)，它們足以引起約60%的減速。在君木的胚珠可使氣流產(chǎn)生最高至91%的減速。Elkinsia的珠被裂片和巨大托斗使得托斗內(nèi)部的風(fēng)速降低80%至99%，并且由于其托斗從四周包圍胚珠，因此對不同方向的氣流具有同樣效應(yīng)。這說明Elkinsia在風(fēng)媒傳粉效率方面具有明顯優(yōu)勢。  圖4 三類早期胚珠風(fēng)媒傳粉性能的計算流體力學(xué)分析 三維模型的比例尺均為5 mm；模擬分析：李炳鑫  綜上，研究人員提出，繁殖單元復(fù)制促進(jìn)了早期胚珠的形態(tài)分異，而復(fù)雜胚珠構(gòu)型的出現(xiàn)促進(jìn)了風(fēng)媒傳粉效率。Elkinsia以及其他具復(fù)雜胚珠構(gòu)型的植物之所以分布最為廣泛、多樣性也最高，與它們在風(fēng)媒傳粉效率方面的優(yōu)勢密切相關(guān)。在蟲媒傳粉策略演化出現(xiàn)之前，如何更好地利用空氣流動是塑造種子形態(tài)與功能的重要影響因素。 此項研究得到國家重點研發(fā)計劃及國家自然科學(xué)基金項目的聯(lián)合資助。研究論文的第一作者為北京大學(xué)地空學(xué)院博士生李炳鑫，其他作者包括北京大學(xué)薛進(jìn)莊副教授、王德明教授，南京地質(zhì)古生物研究所黃璞副研究員、中國地質(zhì)博物館王嘉樹博士及美國康奈爾大學(xué)Karl Niklas教授。 論文相關(guān)信息： Li Bing-Xin, Huang Pu, Liu Le, Wang Jia-Shu, Niklas Karl, Wang De-Ming and Xue Jin-Zhuang 2025New ovulate cupule further informs the relationships among early seed plants and their adaptation to wind pollinationProc. R. Soc. B.29220242940. 論文鏈接：https:///10.1098/rspb.2024.2940 |
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