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存活了上億年的銀杏為什么沒(méi)有滅絕?

銀杏是世界上現(xiàn)存最古老的樹(shù)種之一，其2.7億年的漫長(zhǎng)身世讓人不禁好奇：它們何以挺過(guò)滄桑巨變走到今天?未來(lái)命運(yùn)又會(huì)怎樣?浙江大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院植物研究所和華大基因研究院的科學(xué)家通過(guò)5年的通力合作，在完成銀杏首個(gè)基因組草圖后，對(duì)全球545棵銀杏大樹(shù)進(jìn)行基因組重測(cè)序，構(gòu)建起迄今最大的銀杏遺傳數(shù)據(jù)庫(kù)，為人類(lèi)認(rèn)識(shí)銀杏的進(jìn)化歷史與進(jìn)化潛力提供了重要信息。相關(guān)論文于2019年9月13日在Nature Communications雜志發(fā)表。

孤獨(dú)的活化石

銀杏在全球廣泛種植，可謂最受人類(lèi)喜愛(ài)的植物之一，而孤獨(dú)是它鮮為人知的另一面。“現(xiàn)生銀杏是古老的銀杏家族唯一幸存的成員。”論文第一作者、浙大生命科學(xué)學(xué)院副教授趙云鵬說(shuō)。

世界各地發(fā)現(xiàn)的化石表明，銀杏類(lèi)曾在恐龍時(shí)代盛極一時(shí)，那時(shí)，不同屬、不同種的銀杏“兄弟”類(lèi)目繁多、遍布南北半球，儼然一個(gè)龐大的銀杏家族。一億年前，有花植物開(kāi)始快速崛起，銀杏家族走向衰落，成員們陸續(xù)退出歷史舞臺(tái)。與現(xiàn)存銀杏親緣關(guān)系最近的是克恩銀杏，它分化獨(dú)立于5600萬(wàn)年前，也早已經(jīng)在地球上絕跡了。

在裸子植物四大家族之一的“銀杏綱”里，如今只留下孤零零“銀杏”一個(gè)種。神奇的是，它忠實(shí)保留著億萬(wàn)年前祖先的模樣——扇形帶凹缺的葉片，有時(shí)深裂為二——化石里如此，現(xiàn)實(shí)中也是如此。正是因?yàn)檫@種遺世獨(dú)立、形態(tài)“靜滯”的風(fēng)范，達(dá)爾文說(shuō)它是植物王國(guó)的“鴨嘴獸”。它還有個(gè)更為通俗的名號(hào)——“活化石”。

關(guān)于銀杏這種“活化石”，有兩個(gè)問(wèn)題一直懸而未決：第一，世界上是否還存在野生銀杏種群?在哪里?第二，銀杏在進(jìn)化上是否已經(jīng)陷入“滅絕旋渦”?

三個(gè)“避難所”都在中國(guó)

植物“避難所”是野生種群存在的前提。在全球經(jīng)歷極端氣候特別是冰川期時(shí)，物種大幅滅絕衰退，一些地貌復(fù)雜的山谷可能會(huì)成為殘存森林及其幸運(yùn)物種的“避難所”，物種的蹤跡逐漸收縮到這里，等氣候轉(zhuǎn)好，它們又會(huì)重新向外面的天地生發(fā)。

尋找“避難所”種群，成為浙大植物系統(tǒng)進(jìn)化研究團(tuán)隊(duì)20年前就開(kāi)始的工作。在時(shí)任浙大生科院院長(zhǎng)的洪德元院士提議下，團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人傅承新教授把這項(xiàng)研究納入了973課題。我國(guó)東部的天目山保護(hù)區(qū)內(nèi)一共有銀杏大樹(shù)254棵，對(duì)于它們是否為野生種群，學(xué)術(shù)界一直存在爭(zhēng)議。有學(xué)者認(rèn)為，由于天目山宗教活動(dòng)歷史悠久，這些銀杏有可能是僧人引種的結(jié)果。

“首先，我們是從種群水平判斷是否野生，而不是評(píng)價(jià)單個(gè)植株。其次，從外形看，野生與人工栽培的種群難以直接判斷。”趙云鵬說(shuō)，“但是基因不會(huì)說(shuō)謊，通過(guò)遺傳信息分析，我們可以根據(jù)基因多樣性、稀有基因的頻率、遺傳成分的起源和形成過(guò)程等信息，結(jié)合野外調(diào)查結(jié)果，來(lái)判斷是否野生。”

研究一共從全球搜集到545個(gè)代表性銀杏樣本，樹(shù)木胸徑都在50厘米以上(50厘米的銀杏樹(shù)齡大約100歲)，它們分別來(lái)自中國(guó)、韓國(guó)、日本、北美洲和歐洲。“樣品幾乎覆蓋了全球銀杏所有已知的自然分布范圍和著名大樹(shù)，是迄今為止銀杏樣品采集覆蓋范圍最廣的。”共同第一作者、研究生殷平平說(shuō)。

通過(guò)種群遺傳結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)歷史模擬分析，研究團(tuán)隊(duì)鑒定出銀杏的4個(gè)古老遺傳成分存在于中國(guó)的3個(gè)“避難所”：東部(浙江天目山為代表)、西南(貴州務(wù)川、重慶金佛山為代表)以及南部(廣東南雄、廣西興安為代表)。此外，大巴山脈和湖北大洪山區(qū)分布的銀杏是南部和西南部種群在冰期形成的混合種群。

通訊作者之一、浙大生科院傅承新教授說(shuō)，這些不同的“避難所”，保留了現(xiàn)存銀杏的不同“家系”。在更新世晚期(51萬(wàn)至14萬(wàn)年前)的多次冰期中，不同避難所的種群之間產(chǎn)生了分化，不同避難所特有遺傳成分的混合也在進(jìn)行。

該研究進(jìn)一步表明，目前遍布全球的銀杏幾乎均源自以浙江天目山種群為代表的中國(guó)東部種群。“銀杏是先遷移到日本和韓國(guó)，再?gòu)闹袊?guó)東部遷移到歐美，而且歐洲的銀杏源自中國(guó)。” 趙云鵬介紹，在此之前，人們一直誤以為歐洲的銀杏是日本遷移而至。“遺傳成分分析告訴我們，歐洲現(xiàn)存的遺傳成分更接近于天目山銀杏，而與日本的銀杏差異較大。”

著名植物學(xué)家彼得·克蘭曾在《銀杏：被時(shí)間遺忘的樹(shù)種》一書(shū)中深情地描述銀杏“是中國(guó)送給世界的珍貴禮物”。今天，這句話(huà)有了更有力的科學(xué)證據(jù)。

基因仍然“元?dú)鉂M(mǎn)滿(mǎn)”

著名古生物學(xué)家周志炎院士曾表示，雖然銀杏樹(shù)依然存活于世，但實(shí)際上已進(jìn)入演化的衰落期。他無(wú)不傷感地說(shuō)：“銀杏屬內(nèi)的多樣性已日趨減少，與之相隨的現(xiàn)象是物種的凋零和分布地域的日趨局限。”

事實(shí)是否真是如此?在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)給出了樂(lè)觀的答案。他們發(fā)現(xiàn)，銀杏在物種水平維持了較高水平的遺傳變異。

“雖然就銀杏科或銀杏屬而言，現(xiàn)存物種多樣性極低，但現(xiàn)存銀杏是具有足夠適應(yīng)潛力的物種，并非處于滅絕旋渦或進(jìn)化末端。”

趙云鵬說(shuō)，“較高水平的遺傳變異及檢測(cè)到的適應(yīng)性基因，多次遭遇冰期導(dǎo)致種群規(guī)模壓縮后又重新恢復(fù)，再加上在冰期和間冰期可能都存在較廣的潛在分布區(qū)，意味著銀杏在面臨環(huán)境變異時(shí)，有較多的應(yīng)對(duì)‘方案’。我們相信，銀杏還在繼續(xù)進(jìn)化，至少不至于很快滅絕，甚至有可能東山再起，重現(xiàn)昔日銀杏家族的榮光。”

“但，人類(lèi)還不能因此掉以輕心，因?yàn)橐恍┬碌奈C(jī)正在出現(xiàn)。”趙云鵬說(shuō)，他們?cè)谝巴獗O(jiān)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，許多野生的銀杏大樹(shù)周邊，已經(jīng)10年幾乎沒(méi)見(jiàn)天然更新的幼樹(shù)和超過(guò)3年的成活幼苗。“我們猜測(cè)，可能是森林郁閉度較高，結(jié)實(shí)率和幼苗成活率下降;同時(shí)，松鼠等動(dòng)物取食銀杏種子，進(jìn)一步加劇了種子量的減少，而造成銀杏的‘斷代’。這急需人類(lèi)再次伸出援手，給予精準(zhǔn)重點(diǎn)保護(hù)。”趙云鵬說(shuō)。

另一個(gè)危機(jī)是，大多數(shù)銀杏的野生種群不在自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，生態(tài)環(huán)境破壞、人類(lèi)移栽對(duì)銀杏造成了嚴(yán)重的威脅。

要讓銀杏生生不息，除了科學(xué)，人類(lèi)還需要付出更多的智慧與愛(ài)。