区域生命之树及其在植物区系研究中的应用

区域生命之树是对一个区域内的所有物种进行生命之树重建,在最近10年已成为生命科学领域的研究热点。生命之树反映了物种间的亲缘关系和进化信息,可以将生物区系形成与发展过程中的进化和生态因素联系起来,是揭示区系来源和演化规律的有效手段。本文从3个方面总结了区域生命之树在植物区系研究中的应用:(1)在时间维度上,通过生命之树类群分化时间和进化速率估算,反映区系演化历史,揭示区系的时间分化格局;(2)在空间维度上,结合系统发育信息与物种分布数据,揭示区系内生物多样性的空间格局,并在此基础上进行区系分区;(3)整合生物地理信息和气候环境数据,分析区系中生物类群对古地理事件以及气候变化的响应机制,以揭示形成现存生物多样性格局的生态、地理和历史因素。此外,我们阐述了区域生命之树与全球生命之树之间的关系;指出由于类群取样不全而造成的时间估算偏差是区域生命之树研究中需要注意的问题;建议对生物多样性热点地区从不同尺度进行大数据的整合分析。     

中国植物系统和进化生物学研究进展

植物系统和进化生物学旨在探讨植物物种多样性的起源、多样化及其进化的机制, 是综合性越来越强的研究领域。2017年在深圳召开的第19届国际植物学大会(IBC 2017)为中国学者提供了一次难得的展示自身实力的机会和舞台, 同时也极大地推动了中国植物系统与进化生物学领域的研究。值此大会召开5周年之际, 本文拟就中国系统和进化生物学领域近年来取得的主要进展和突破做一简要回顾, 以帮助读者了解中国植物系统和进化研究的发展态势, 并在此基础上展望未来该领域的发展趋势以及面临的机遇和挑战。在过去5年中, 中国学者在植物系统与进化生物学领域的各个方面均取得了令人鼓舞的成绩和突破, 涉及植物起源和物种多样性格局的演变、植物分类和系统发生重建、物种形成和适应性进化、种间互作和协同进化、新性状的起源及其进化发育机制、植物多倍化的机制和多倍体进化、物种濒危机制和物种保护以及栽培植物的起源和驯化等等。这些研究成果不仅在数量上而且在质量上有显著提升, 受到国际学界的广泛关注, 意味着中国学者已经成为国际该领域研究的重要力量, 并将在国际植物系统和进化研究领域发挥更大的作用。     

物种与物种多样性

本文首先讨论生物物种的科学概念和生物学本质，分析物种客观存在的自然属性和物种概念的局限性，认为物种的生物学属性和物种多样性的科学属性之间有着本质联系。物种多样性研究的实质是研究生物物种的生物学多样性。度量物种多样性程度有多种方法，但物种数目是物种多样性程度最直接、也是最基本的表达，估计物种多样性数目是当前国际上物种多样性研究的核心与热点内容。物种多样性产生的根源是物种形成，物种绝灭速率是维持物种多样性的关键因素。本文简要总结了物种形成与绝灭的基本模式和机制，通过分析生物地理区系与物种多样性研究的密切关系，说明物种的区系成份分析是物种多样性大尺度格局研究的重要内容。     

协同物种形成及其生物学意义

自达尔文与华莱士以来的每位生物学家都承认种间生态学作用对进化的意义。1964年,埃利希和雷文提出了协同进化理论。它反映了生态学相关的不同物种之间的相互作用引起的相互进化。这一理论引起了研究者的广泛重视。近年来,随着进化生态研究的深入发展,学者们对进化过程的生态机制以及生态特性与生态关系进化规律、种间生态学作用引起的物种形成有了进一步的认识。本文仅从协同物种形成的概念出发,对协同物种形成的生态机制以及生物学意义作一简要概述。协同物种形成的概念进化在本质上是一种生态过程,是生物与环境、生物与生物之间相互作用的结果。种群分化的生态机制和物种形成的本质在于对生存条件的逐步适应。按照协同进化理论,物种间的相互作用引起的协同适应     

生命之树及其应用

生命之树的概念由达尔文在1859年提出, 用以反映分类群的亲缘关系和进化历史。近30年来, 随着建树性状种类的多样化、数据量的快速增长以及建树方法的不断发展和完善, 生命之树的规模越来越大, 可信度也越来越高。分子生物学、生态学、基因组学、生物信息学及计算机科学等的快速发展, 使得生命之树成为开展学科间交叉研究的桥梁, 其用途日益广泛。本文综述了生命之树研究的历史和现状, 介绍了生命之树在以下几个方面的应用: (1)通过构建不同尺度的生命之树, 理解生物类群间的系统发育关系; (2)通过时间估算和地理分布区重建, 推测现存生物的起源和地理分布格局及其成因; (3)基于时间树, 结合生态、环境因子及关键创新性状, 探讨生物的多样化进程和成因; (4)揭示生物多样性的来源和格局, 预测生物多样性动态变化, 并提出相应的保护策略。最后, 本文评估了生命之树在目前海量数据情况下遇到的序列比对困难、基因树冲突、“流浪类群”干扰等建树难题, 并指出了构建“超大树”的发展趋势。     

作物远缘杂交育种的途径及其实质

作物远缘杂交的育种可操作性及效果多年来颇有争议,科学家对物种起源与进化的研究恰恰是指导作物远缘杂交育种的理论基础。物种形成理论研究表明生命的共同起源是远缘杂交的理论基础,生物多样性是远缘杂交的物质基础。生物种间的繁殖隔离机制是远缘杂交不亲和性障碍的根源所在,而物种形成方式又为克服远缘杂交的不亲和性提供了理论依据。其中异域性物种形成方式下的生殖隔离具有不彻底性,是克服远缘杂交受精前不亲和性的理论根据;同域性物种形成方式中多倍体化的方式对远缘杂交受精后不亲和性的克服具有较强的指导意义。本文在通过对以上方面的阐述,剖析了远缘杂交的障碍来源、克服途径及实质,为作物远缘杂交育种工作提供参考。     

动物物种形成的生殖隔离机制研究进展

物种形成过程及其机制不仅是理解自然界生物多样性现象的关键,也是长期困扰达尔文的“谜中之谜”,是进化生物学研究领域的核心命题之一。物种形成是指新物种从祖先物种中分化出来的演化过程,也是种群间生殖隔离效应或屏障建立的演化过程,对这一过程及其内在遗传机制的探究和揭示是我们理解生物多样性现象的关键所在。本文聚焦于动物类群,系统阐述了动物物种生殖隔离的产生方式及其分子机制,并探讨了目前动物物种生殖隔离相关研究所面临的瓶颈、挑战和潜在机遇,为后续动物物种形成相关研究提供参考和启发。     

物种是怎样形成的

现存的生物是进化的产物,进化的关键是物种起源。物种起源是一个笼统的概念,要想研究物种之间如何演变,如何由A种演变成B种,就必须澄清物种形成的方式。达尔文运用自然选择的原理,认为自然选择是物种形成的动力,并着重指出“自然选择只能通过累积轻微的、连续的、有益的变异而发生作用,所以不     

基因流存在条件下的物种形成研究述评:生殖隔离机制进化

物种形成过程是生物多样性形成的基础, 长期以来一直是进化生物学的中心议题之一。传统的异域物种形成理论认为, 地理隔离是物种分化的主要决定因子, 物种形成只有在种群之间存在地理隔离的情况下才能发生。近年来, 随着种群基因组学的发展和溯祖理论分析方法的完善, 种群间存在基因流情况下的物种形成成为进化生物学领域新的研究焦点。物种形成过程中是否有基因流的发生?基因流如何影响物种的形成与分化?基因流存在条件下物种形成的生殖隔离机制是什么?根据已发表的相关文献资料, 作者综述了当前物种形成研究中基因流的时间和空间分布模式、基因流对物种分化的影响以及生殖隔离机制形成等问题, 指出基因流存在条件下的物种形成可能是自然界普遍发生的一种模式。     

代谢速率调控物种丰富度格局的研究进展

提出生物多样性分布格局的普适性理论和探索其内在形成机制一直是生态学家们研究的焦点之一.到目前为止,已有很多假说被用来解释生物多样性分布规律,但是这些假说的普适性均受到学者们的质疑.最新理论--代谢速率假说以能量相当法则和代谢分形分配网络模型为基础,定量预测了个体及种群生态进化动态过程与群落生物多样性分布格局之间的关系,以及物种丰富度和环境因子之间的关系.代谢速率假说解释了生物多样性的起源问题,也回答了生物多样性如何维持的问题.该文重点综述了代谢生物多样性理论的发展及其相关研究进展.通过和其他假说比较、分析,我们认为随着代谢理论假说的不断发展和完善,代谢生物多样性理论将更具有普适性.同时我们也提出了进一步完善该假说需要解决的一些科学问题.     

The role of evolutionary processes in producing biodiversity patterns, and the interrelationships between taxonomic, functional and phylogenetic biodiversity

Patterns of biodiversity are ultimately the product of speciation and extinction. Speciation serves as the biodiversity pump while extinction serves as the agent that culls global to local levels of biodiversity. Linking these central processes to global and local patterns of biodiversity is a key challenge in both ecology and evolution. This challenge necessarily requires a simultaneous consideration of the species, phylogenetic, and functional diversity across space and the tree of life. In this review, I outline a research framework for biodiversity science that considers the evolutionary and ecological processes that generate and cull levels of biodiversity and that influence the inter-relationships between species, phylogenetic, and functional diversity. I argue that a biodiversity synthesis must begin with a consideration of the inherently ecological process of speciation and end with how global biodiversity is filtered into local-scale plant communities. The review ends with a brief outlook on future challenges for those studying biodiversity, including outstanding hypotheses that need testing and key data limitations.     

染色体数据的挖掘及其在植物多样性进化研究中的利用

多倍化(或全基因组加倍)是植物物种形成的重要途径,现存的被子植物可能都发生过一次甚至多次多倍化事件。多倍化传统的定义是染色体数目相对于祖先类群呈整倍性增加。其中最常用的研究方法是核型分析,核型能够提供物种的基本细胞学参数,包括染色体数目、倍性水平、核型不对称性、核型变异系数等。目前核型研究的趋势表现出从物种基本核型参数分析逐渐演化到多类群、多学科交叉融合的特点:一方面植物核型分析从种群、物种、科属的类群到生命之树,探讨染色体核型在各支系的进化特征、趋势以及驱动植物系统进化的细胞学机制;另一方面探讨和分析区域或生态系统植物区系的染色体谱或倍性等细胞学特征,可以探究区域地质环境变化或生态环境对染色体倍性等的影响,或通过区域染色体谱的构建,分析区域植物区系的形成和进化历史。因而,植物核型研究为系统发育、分子系统进化、生命之树以及植物区系地理的起源和演化研究提供了新思路。越来越多的新方法、新手段在植物核型分析与多倍化研究中得到运用,从而揭示了植物类群或植物区系的染色体进化以及细胞地理特征。今后植物细胞学研究趋势会向多学科交叉融合,整合各研究领域证据,从不同水平角度综合分析植物核型多样性形成的原因及意义,从而更加全面地认识和理解植物物种多样化与物种形成原因。     

Species integrity in trees

From California sequoia, to Australian eucalyptus, to the outstanding diversity of Amazonian forests, trees are fundamental to many processes in ecology and evolution. Trees define the communities that they inhabit, are host to a multiplicity of other organisms and can determine the ecological dynamics of other plants and animals. Trees are also at the heart of major patterns of biodiversity such as the latitudinal gradient of species diversity and thus are important systems for studying the origin of new plant species. Although the role of trees in community assembly and ecological succession is partially understood, the origin of tree diversity remains largely opaque. For instance, the relative importance of differing habitats and phenologies as barriers to hybridization between closely related species is still largely uncharacterized in trees. Consequently, we know very little about the origin of trees species and their integrity. Similarly, studies on the interplay between speciation and tree community assembly are in their infancy and so are studies on how processes like forest maturation modifies the context in which reproductive isolation evolves. In this issue of Molecular Ecology, Lindtke et al. (2014) and Lagache et al. (2014) overcome some traditional difficulties in studying mating systems and sexual isolation in the iconic oaks and poplars, providing novel insights about the integrity of tree species and on how ecology leads to variation in selection on reproductive isolation over time and space.     

Cryptic species as a window into the paradigm shift of the species concept

The species concept is the cornerstone of biodiversity science, and any paradigm shift in the delimitation of species affects many research fields. Many biologists now are embracing a new “species” paradigm as separately evolving populations using different delimitation criteria. Individual criteria can emerge during different periods of speciation; some may never evolve. As such, a paradigm shift in the species concept relates to this inherent heterogeneity in the speciation process and species category—which is fundamentally overlooked in biodiversity research. Cryptic species fall within this paradigm shift: they are continuously being reported from diverse animal phyla but are poorly considered in current tests of ecological and evolutionary theory. The aim of this review is to integrate cryptic species in biodiversity science. In the first section, we address that the absence of morphological diversification is an evolutionary phenomenon, a “process” counterpart to the long‐studied mechanisms of morphological diversification. In the next section regarding taxonomy, we show that molecular delimitation of cryptic species is heavily biased towards distance‐based methods. We also stress the importance of formally naming of cryptic species for better integration into research fields that use species as units of analysis. Finally, we show that incorporating cryptic species leads to novel insights regarding biodiversity patterns and processes, including large‐scale biodiversity assessments, geographic variation in species distribution and species coexistence. It is time for incorporating multicriteria species approaches aiming to understand speciation across space and taxa, thus allowing integration into biodiversity conservation while accommodating for species uncertainty.     

染色体数据的挖掘及其在植物多样性进化研究中的利用

多倍化（或全基因组加倍）是植物物种形成的重要途径,现存的被子植物可能都发生过一次甚至多次多倍化事件。多倍化传统的定义是染色体数目相对于祖先类群呈整倍性增加。其中最常用的研究方法是核型分析,核型能够提供物种的基本细胞学参数,包括染色体数目、倍性水平、核型不对称性、核型变异系数等。目前核型研究的趋势表现出从物种基本核型参数分析逐渐演化到多类群、多学科交叉融合的特点：一方面植物核型分析从种群、物种、科属的类群到生命之树,探讨染色体核型在各支系的进化特征、趋势以及驱动植物系统进化的细胞学机制;另一方面探讨和分析区域或生态系统植物区系的染色体谱或倍性等细胞学特征,可以探究区域地质环境变化或生态环境对染色体倍性等的影响,或通过区域染色体谱的构建,分析区域植物区系的形成和进化历史。因而,植物核型研究为系统发育、分子系统进化、生命之树以及植物区系地理的起源和演化研究提供了新思路。越来越多的新方法、新手段在植物核型分析与多倍化研究中得到运用,从而揭示了植物类群或植物区系的染色体进化以及细胞地理特征。今后植物细胞学研究趋势会向多学科交叉融合,整合各研究领域证据,从不同水平角度综合分析植物核型多样性形成的原因及意义,从而更加全面地认识和理解植物物种多样化与物种形成原因。     

物种形成基因及其功能

什么是物种?新物种是如何形成的？这些问题是生命科学研究的重大问题.物种的形成是在生殖隔离的基础上某些新的生物学性状的形成和保留,是生物进化的最基本过程,其实质是基因结构突变的积累与功能的分化. 地理隔离使群体中的基因不能交流,基因突变也会影响个体间交配趣向,从而造成交配隔离或者交配后杂合体的基因组不亲和、杂交不育甚至杂交不活,使不同的群体逐渐分化为新物种. 随着分子生物学与基因组学的飞速发展,进化生物学家已经发现一些与物种形成有关的基因-物种形成基因（speciation genes）,鉴定并了解这些基因的功能,不仅能使我们在分子水平上理解新物种形成的实质和规律、而且对于我们突破种间屏障进行远缘杂交育种也有重要的理论指导意义.本文综述了目前对几个物种形成基因及其功能的研究进展,为该领域的进一步研究提供资料.     

猴面包树属植物的研究进展

猴面包树属（Adansonia）植物为高大落叶乔木,隶属锦葵科木棉亚科,原产于非洲和澳大利亚。该属植物因其硕大的茎干、极强的耐旱能力及长寿的特点受到世界范围的广泛关注。猴面包树属植物可利用价值较高,在古气候重建、生物起源进化、生物多样性保护等方面具有重要意义。本文从地理分布、形态结构、功能用途和起源进化等方面对猴面包树属植物的相关研究进行了综述,并从其抗旱机理、开发利用、起源进化和保护繁育等方面进行了展望。     

Assessing latitudinal gradients in speciation rates and biodiversity at the global scale

The mechanisms responsible for latitudinal biodiversity gradients have fascinated and perplexed biologists since the time of Darwin. Ecological theory has yielded two general classes of mechanisms to account for variation in biodiversity: dispersal–assembly mechanisms that invoke differences in stochastic rates of speciation, extinction and dispersal; and niche–assembly mechanisms that invoke species differences, species interactions and environmental heterogeneity. Distinguishing between these two classes of mechanisms requires explicit consideration of macroevolutionary dynamics. Here, we assess the importance of dispersal–assembly mechanisms in the origin and maintenance of biodiversity using fossil data that encompass 30 million years of macroevolution for three distinct groups of ocean plankton: foraminifera, nannoplankton and radiolaria. Applying new methods of analysis to these fossil data, we show here for the first time that latitudinal biodiversity gradients exhibit strong positive correlations with speciation rates even after explicitly controlling for variation in sampling effort and for increases in habitat area towards the equator. These findings provide compelling evidence that geographical variation in macroevolutionary dynamics is a primary determinant of contemporary biodiversity gradients, as predicted by dispersal–assembly theory.     

The lamprey in evolutionary studies

Lampreys are a key species to study the evolution of morphological characters at the dawn of Craniates and throughout the evolution of the craniate’s phylum. Here, we review a number of research fields where studies on lampreys have recently brought significant and fundamental insights on the timing and mechanisms of evolution, on the amazing diversification of morphology and on the emergence of novelties among Craniates. We report recent example studies on neural crest, muscle and the acquisition of jaws, where important technical advancements in lamprey developmental biology have been made (morpholino injections, protein-soaked bead applications or even the first transgenesis trials). We describe progress in the understanding and knowledge about lamprey anatomy and physiology (skeleton, immune system and buccal secretion), ecology (life cycle, embryology), phylogeny (genome duplications, monophyly of cyclostomes), paleontology, embryonic development and the beginnings of lamprey genomics. Finally, in a special focus on the nervous system, we describe how changes in signaling, neurogenesis or neuronal migration patterns during brain development may be at the origin of some important differences observed between lamprey and gnathostome brains.