蒺藜科植物的时空演化与现代干旱区的起源和进化

Arid lands occupy about one-third of the Earth’s land surface and are the largest terrestrial ecosystem. Owing to extreme arid and enormous difference between daytime and nighttime temperatures, arid biomes are very fragile and sensitive to climatic changes. However, little is currently known about the origin and evolution of arid biomes. Zygophyllaceae is widely distributed in the arid and semi-arid areas of the tropics and temperate, and is regarded as a key indicator of modern arid biomes, and therefore offers a remarkable opportunity for studying the origin and evolution of modern arid biomes on a worldwide basis. In this proposal, we will first reconstruct a robust mega-phylogenetic framework at the species level for the Zygophyllaceae using five chloroplast and nuclear loci (rbcL, matK, trnL, trnL-F, and ITS) on the basis of our previous studies and data in GenBank. By integrating phylogenetic, biogeographic, molecular dating, and diversification rate analytical methods, we will investigate the temporal and spatial diversification of the Zygophyllaceae on a global scale and possible environmental constraints, and consequently reveal the establishment of modern arid biomes in different geographical areas was synchronous or not. By this proposal, we will obtain new insights into the origin and evolution of modern arid biomes, and will make a notable impact on the vegetative conservation and ecological restoration.

干旱区占地球陆地面积的1/3，是全球最大的陆地生态系统，但它的现代化过程仍然是不清楚的。蒺藜科是专性的干旱植物科，分布于全球主要的干旱区。作为干旱区的指示成分之一，它是研究干旱区植被起源和进化的理想模式类群。本项目拟选取蒺藜科约200种植物，利用5个DNA片段重建该科物种水平的系统发育树。然后整合系统发育、分化时间、生物地理、多样化等分析方法，在世界范围内阐明蒺藜科植物的时空多样化式样和环境制约，进而探讨现代干旱区的现代化进程，揭示不同区域的干旱化是否同时发生。本项目的实施不仅有助于深入理解干旱区的进化历史，而且可为干旱区植被的保护和荒漠化治理提供理论基础。

本研究通过野外调查和采集，获得了分布于中国西北干旱区的3属20种蒺藜科植物的分子材料并进行了测序。基于三个叶绿体基因片段（rbcL、trnL intron、trnL-F）和核基因（ITS）构建了蒺藜科植物目前为止最全面的系统发育关系，发现霸王属可以分为木本和草本两个主要的分支。生物地理学的分析表明蒺藜科植物起源于非洲，之后经历了多次扩散和迁移事件，形成了现在全球性的分布格局。多样化分析发现了一个有趣的现象：虽然蒺藜科植物从非洲到达亚洲、美洲和澳大利亚干旱区的时间不同，但是上述地区的蒺藜科植物都在中新世中晚期（15～10百万年前）发生了快速的多样化，可能是由于中新世全球气候降温和各大洲独特的地质历史环境共同驱动的。结合其他旱生植物类群的进化式样，本研究揭示了全球干旱生物群区的历史构建过程。本研究还发现水生态位的保守性和多样化速率的增加共同促进了蒺藜科植物的多样化格局。