银杏见证了上亿年风雨!基因测序定位起源地,随处可见却“濒危”

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资料图 程功 摄

日前,中国科学院植物研究所、浙江大学、华大基因研究院科研人员联合发布揭示银杏种群进化历史、避难所及进化潜力的论文,文中“全球银杏几乎都源自中国”的结论,为人们津津乐道。也使著名植物学家彼得·克兰在《银杏:被时间遗忘的树种》一书中的深情描述,有了理论支撑。

作为植物学界“明星物种”,银杏身上“谜团”重重。本报记者与论文共同第一作者“银杏树下话银杏”,看叶片穿越上亿年光阴飘落身旁,亦美也亦醉。从恐龙时代走来见证上亿年风雨

秋日午后,中国科学院植物研究所幽深静谧。银杏林间,曲折小径蜿蜒向前,微风拂过,已是金黄满地。

植物所博士生李宁从地上捡起一片银杏叶,放在眼前细细端详。作为论文共同第一作者,过去两年间,银杏几乎填满了她的全部科研世界。

想要了解李宁和同伴们的这项研究,我们得先来跟她一起“读一读”这片叶子。

从外形上看,银杏叶特别像一把打开的扇子。扇形叶片本来在整个植物界就不多,如银杏般拥有柔和曲线的更是只此一家。它非常符合东方传统审美,难怪以银杏叶为模板制作的摆件、装饰品等层出不穷。

美丽外形绝非徒有其表,更厉害的是,你随手捡起的叶片,与上亿年前的银杏叶片化石相比,形态几乎没有变化。进化生物学领域把这种情况称之为“形态静滞”,这也是银杏被誉为“活化石”的原因之一。若再考虑到如此长久的时间跨度,地球都发生了翻天覆地的变化,小小叶片居然能“固执”地维系原样,简直要令人惊叹了。

银杏享有“长寿树”美誉,这也是它受到人们喜爱的原因之一。具体有多长寿呢?3500年!还只是它的平均寿命。目前已知存活最久的,可能是浙江天目山一棵“五世同堂”的古银杏,12000岁“高龄”可谓树中老祖宗。至于数千岁的古银杏树就更多了,主要生长在寺庙旁,为人类文明平添一份厚重。

银杏是裸子植物四大支系之一,而且是整个种子植物五大支系里面唯一一个仅有一个现存种的分支。“生物系的学生特别喜欢银杏,因为很少有植物能一口气从‘纲’说到‘种’,都得想一想,但银杏可以——银杏纲银杏目银杏科银杏属银杏。”李宁感慨,银杏从恐龙时代一路走来,历经上亿年风风雨雨。失去了全部的“亲人”,就留下它“遗世独立”,仿佛超然于时间之外。基因测序解密码定位银杏起源地

不但普通民众喜爱银杏,如此之多“神奇”的生物特性集于一身,在学界,它也是一个响当当的“明星”。近二三十年来,银杏一直拥有较高研究热度,相应的,学界对其也存在多处争议,避难所问题可以说是讨论度最高的。

“避难所”是一个通俗的概念,在新生代第四纪大冰川期来临前,银杏原本分布极广,一度蔓延到北极点附近。而冰川来临时,全球银杏几乎灭绝,可能由于东西走向的山脉及相对温暖的环境,中国东部、南部以及西南部分地区存余了极少量银杏,研究人员将这些“在灾难中提供庇佑”的场地称为避难所,其实就是生物学中的“孑遗地”。

目前世上银杏又已随处可见,那么它们究竟是从哪个地方“走出去”的呢?这是个一直存有争议,没被彻底解决的问题。

李宁介绍,早在2016年,浙江大学、华大基因研究院和植物所便三方合作,完成了首个银杏的基因组测序工作。此次研究,是在之前项目基础上又一次通力合作,主要目的之一就是解决长期存在争议的避难所问题。

研究从全球51个银杏种群中,共采集到545个代表性银杏样本,遍及中国、韩国、日本、北美洲和欧洲,是迄今为止覆盖范围最广的。样本采集工作主要由长期从事濒危植物(银杏、珙桐等)群体遗传学和保护基因组学研究的浙大团队完成,接下来三家机构共同对它们进行测序分析和数据挖掘,给每份样本赐予了一个专属的“身份证号”。

想通过几百份基因组解决国外银杏的传播问题,该从何入手呢?从生物学角度考虑,由于生物对当地环境的各自适应,地理距离越远,遗传成分相似性一般会越低。若地理上相距遥远的两个样本,遗传成分却出奇相似,甚至比毗邻地之间还要像,便极有可能是“兄弟几个,有的留在了家里,有的被带到了国外”。

带着这种思路,研究人员将每两个样本之间的地理距离和遗传距离(遗传成分相似度)都进行了计算,发现目前遍布全球的银杏几乎均源自以浙江天目山种群为代表的中国东部种群。“比如欧洲的银杏样本,现存遗传成分更接近天目山银杏,与‘疑似’起源地的日本银杏差异较大,说明并不是从日本传出去的。”随处可见却“濒危”野生银杏几断层

除了得出“全球银杏几乎都源自中国”这一重磅结论,这项研究还回答了其他几个学界一直存在的疑问与争议。

“银杏属于濒危植物,需要去好好保护。”李宁首先抛出的这个结论,令人颇为吃惊——如此常见的树种,哪里谈得上“濒危”呢?

事实上,不但普通公众想不到,这一结论也出乎不少科研人员意料。从演化历史来看,历经地球数次震荡却依然能够存活,已经证实了银杏强大的适应能力。在城市中,它常被用作行道树,除了美观,还因为它抗污染、耐冷耐旱。最令大家佩服的是,银杏几乎没有病虫害。此外,银杏易于栽种,只要环境敞亮,有充足的阳光和水,95%的种子都可以正常萌发。

然而李宁介绍,一个物种是否濒危,要看它在野生条件下的生长状况。研究中他们震惊地发现,野外近十年来都没有发现天然更新的银杏幼树,这说明银杏后代几乎是断层式消失。

“我们分析,或许是取食银杏种子的动物比如食草恐龙灭绝了,再加上森林郁闭度很高,银杏又‘晚婚晚育’,掉下来的种子都落在庞大的‘母亲’身边,大多数动物不愿意帮助这种”臭烘烘“的种子传播到阳光充足的地方,野外萌发率就非常低了。”李宁认为,对于银杏野生种群及其核心种质资源,仍需给予重点和精准保护。

此次研究虽已取得瞩目成就,但李宁坦言,对银杏这个“谜题富矿”的挖掘,还远没有到尽头。“比如在应用方面,景观利用上我们希望栽种雄株,避免掉落一地银杏种子,气味也不好。在提取药物营养成分方面,又希望栽种雌株可以收获银杏果。另外银杏病虫害少,耐旱耐低温,背后的机制是什么?银杏长寿的奥秘又是什么?”

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