北半球擁有最高的溫帶植物多樣性，其中東亞較北美和歐洲更為豐富。目前對該分布格局的解釋尚有爭議，存在不同的假說，如“時間積累假說”和“生態(tài)位改變假說”。冷杉屬在北半球寒溫帶及亞熱帶山地形成廣袤的森林，具有重要的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)價值，對未來氣候變化有顯著的指示意義。該屬物種多樣性以東亞最高并集中在橫斷山喜馬拉雅地區(qū)，且不同地區(qū)的譜系演化時間差異較大，是檢驗以上假說和探討北半球多樣性不均衡格局形成原因的模式類群。

圖1  冷杉屬多樣化速率

國家植物園（南園）王強研究組向巧萍副研究員和張憲春研究組聯(lián)合利用目標(biāo)序列富集測序技術(shù)獲取了世界冷杉屬近全部種類的56個單拷貝核基因，建立了穩(wěn)固的屬內(nèi)系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系，估算分化時間，并利用多元回歸檢測物種豐富度與環(huán)境變量的相關(guān)性。研究發(fā)現(xiàn)盡管北美的冷杉屬分化時間最久遠(yuǎn)（約33.18 Ma；早漸新世），但東亞的物種多樣性和物種形成速率均最高（圖1）。

圖2  冷杉屬物種多樣化的主要環(huán)境驅(qū)動因子

不同地理尺度上，物種豐富度與季節(jié)性降水呈顯著正相關(guān)，與最暖季最高溫和最濕季均溫呈顯著負(fù)相關(guān)，表明冷杉偏好季節(jié)性降水充分且涼爽的氣候（圖2）。

圖3  冷杉屬的生態(tài)位轉(zhuǎn)化

喜馬拉雅-橫斷山譜系和墨西哥高地譜系在中新世獨立發(fā)生了與多樣化速率相關(guān)的生態(tài)位轉(zhuǎn)變（圖3），中新世劇烈的喜馬拉雅造山運動創(chuàng)造的高海拔生境和東亞季風(fēng)帶來的充沛降水促成了喜馬拉雅-橫斷山譜系物種的多樣化；墨西哥高地的火山活動同樣導(dǎo)致了有關(guān)物種的分化，但持續(xù)時間較短且范圍較小。而晚古新世以來北美干冷的大陸性氣候以及中新世以來歐洲地中海地區(qū)季節(jié)性降水匱乏偏離了冷杉屬植物適宜生境，可以解釋這兩個地區(qū)相對低的多樣性。

本研究以冷杉屬植物為例，揭示了生態(tài)位轉(zhuǎn)變是造成北半球物種多樣性不均衡的主要原因，為研究全球氣候變化趨勢下物種多樣性的保護(hù)提供了理論依據(jù)。

該研究成果于近日在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Journal of Biogeography，向巧萍為論文第一作者和共同通訊作者，衛(wèi)然副研究員為論文共同通訊作者。研究得到了國家自然科學(xué)基金、生態(tài)環(huán)境部和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會的資助。

泛喜馬拉雅植物多樣性研究組

組長：王強研究員

郵箱：wangqiang@ibcas.ac.cn

主要研究方向：

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孢子植物分類學(xué)研究組

組長：張憲春研究員

郵箱：zhangxc@ibcas.ac.cn

主要研究方向：

1.蕨類植物分類和系統(tǒng)；2.《泛喜馬拉雅植物志》石松類和蕨類

編輯 | 韓藝

審核 | 梁鵬鴻