世界上第一朵花的解剖学争论

2018-02-13 09:32 来源:《中国科学报》 
2018-02-13 09:32:47来源:《中国科学报》作者:责任编辑:张佳兴

  部分研究者认为原始花朵的预测结构不存在

  向日葵和其他所有开花植物很可能来自于一个共同的祖先。图片来源:Dennis Stock/Magnum

  一项雄心勃勃的重新构建世界上第一朵花的努力引发了一场争论,此次争论的焦点是一朵花可不可能具有某种形态。

  这个叫作eFLOWER的项目结合了一个无与伦比的植物特征数据库、关于进化关系的大量分子数据以及复杂的统计模型,以此了解所有现代开花植物的祖先是什么样的。相关成果在去年8月1日发表后,吸引了学术界和媒体的浓厚兴趣。

  但在此之后,研究人员对eFLOWER的一些预测提出了质疑。近日,俄罗斯莫斯科国立大学植物形态学家Dmitry Sokoloff和同事发表的一篇文章对相关数据进行了重新分析,展示了第一朵花内部关键雌性生殖结构的不同排列。

  佛罗里达大学植物生物学家Pamela Soltis说,这场辩论的焦点是花朵结构的细节,但同时指向一个更广泛的担忧,即使用统计模型和大数据集解决生物学问题。她说:“即便没有生物学上的可能性,事情在统计学上也是可能的。”

  开花植物是进化上的一个明显的成功范例。尽管它们仅出现在距今约1.4亿年前(距离第一批种子植物约两亿年后),但它们已占据现在所有陆生植物的约90%。但由于花朵化石非常稀缺,植物学家长期以来一直猜测第一批开花植物是什么样子。“花朵与大规模的多样化息息相关。”Soltis说,“如果我们不了解第一批开花植物是什么样的,那么我们就无法了解它们如何达到现在的状态。”

  大约8年前,eFLOWER项目招募了一组植物学家寻找答案。该团队对将近800个物种的20多个特征进行了分类。然后,他们将这些数据与分子进化关系研究相匹配,并利用统计模型推断了最早花朵的特征。

  研究描绘了一朵花的图像,这朵花是围绕中心轴对称的,它同时包含了雄性和雌性性器官。eFLOWER的模型还表明,第一朵花中的许多器官都是轮生的,也就是说它们是以同心圆排列的。但该文章作者同时警告称,其中一些发现的统计支撑较弱。

  尽管如此,澳大利亚悉尼皇家植物园进化生物学家Herv Sauquet说,轮生的原始花朵的观点依然让很多人震惊。许多植物学家原来预测,花的器官会以三维螺旋状排——围绕着一个中心轴但却不限于单个平面。“这是一个长期以来形成的教条观点,但从未得到证实。”他说。

  但令Sokoloff困惑的是,在Sauquet的分析中,花朵的花瓣和雄性生殖器官是呈轮生状排列的,而被称为“心皮”的雌性生殖器官则是以螺旋状排列的。他从未在一个花朵中看到过轮生和螺旋状相结合的排列方式。此外,他和同事认为,植物在同一个花朵中实现器官的两种不同排列在发育学上是不可能的。

  Sokoloff说,这是因为这些器官来自于植物的同一个区域。在一些轮生花朵中,心皮的位置决定了雄性生殖器官的位置。Sokoloff的团队回顾了eFLOWER项目的数据库,找到了同一朵花中器官同时以轮生和螺旋状排列的4个例子。但经过进一步分析,他们认为每个例子只包含了一种生殖器官。

  Sauquet称,他所在团队随后重新审视了那些数据,他们赞同Sokoloff所担心的其中一些数据,尽管并非所有数据。他说,通过更新和扩大的数据集来重复他们的分析,现在研究发现原始花朵中所有生殖器官可能都是轮生的。但修正后的一些结果拥有的统计支撑相对较低,正如第一次分析所说的那样。“以前它是不确定的,现在它仍然不确定。”Sauquet说,“我们还不知道最终的答案。”

  Sokoloff指出,eFLOWER项目所采用方法的一个基本问题是,在把一朵花的特征组合成连贯的花朵之前,独立地评估它的每个特征。“他们单独地分析了每个特征的进化。”他说,“但是一些特征的组合是不可能的。”

  尽管如此,Sauquet仍然认为,现代花朵中缺乏的一些特殊形态并不意味其从未存在过。他说:“以前曾有过很多稀奇古怪的事物,但如今我们看不到了。”

  里士满弗吉尼亚联邦大学研究植物进化的Wenheng Zhang说,解开第一朵花的争议需要更大的数据库和更复杂的模型。她说,eFLOWER 项目研究是现代技术如何与经典形态学相结合,解开关于植物起源的基本问题的一个例证。“这类研究把植物学家重新导向形态学。”Zhang说,“它只是回归到基本的问题。”(晋楠编译)