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中國黍亞科植物小穗植硅體的初步研究

不同類型的小穗及其苞片 (葛勇 供圖)

不同類型的小穗及其苞片 (葛勇 供圖)

小穗中常見的植硅體類型(葛勇 供圖)

小穗中常見的植硅體類型(葛勇 供圖)

(神秘的地球uux.cn報道)據中國科學院古脊椎動物與古人類研究所:2020年2月20日,國際學術期刊Frontiers in Plant Science(SCI, IF: 4.106)在線發表了中國科學院古脊椎動物與古人類研究所高星研究團隊葛勇博士等撰寫的學術論文“Phytoliths in Inflorescence Bracts: Preliminary Results of an Investigation on Common Panicoideae Plants in China”(中國黍亞科植物小穗植硅體的初步研究)。 

禾本科植物小穗植硅體的研究極大推動了植硅體分類學及考古學方面的應用,然而由于目前的研究主要集中于幾種主要的農作物,已經發表的植硅體鑒定標準是否可靠,鑒定的精度到底如何仍未完全詳明。為了促進小穗植硅體鑒定標準的進一步完善,特別是在以黍粟等旱作作物為主的農業考古方面的應用,本文針對38種黍亞科(禾本科)植物的小穗植硅體進行了系統的分析,其樣品涵蓋了常見的作物、作物的野生親緣種、雜糧(救荒)作物和田間雜草。在對每一個樣品進行系統的解剖基礎上,對小穗的每一個苞片(包括總苞、第一穎、第二穎、外稃和內稃)進行單獨處理,對其中產生的植硅體類型進行原位觀察和分析,總結了不同苞片類型產生植硅體的規律,并且提出了可以用于屬一級分類的鑒定標準。 

研究發現,黍亞科中稃片產生的特殊類型植硅體:具有分枝狀結構的稃片植硅體(即黍、粟、稗的Ω、和β這一稃片類型植硅體,在本文中統一命名為Interdigitating,這一名稱涵蓋了所有這一類型的植硅體)具有更高的分類能力。通過對Interdigitating這一類型植硅體的特征進行分解,研究人員一共獲得4個有效的形態特征,分別是:主體的形狀(main body),乳突的形態(papillae),兩側分支的形態(undulation)以及兩端交接部位的形態(connection),利用這4個形態特征及其測量指標,能夠從形態和形態參數兩方面有效的區分黍、粟、稗、狗尾草、求米草、雀稗和馬唐屬的植物。 

研究還發現,薏苡的外殼中含有大量的植硅體,這些植硅體互相鏈接在一起組成厚層的硅質外殼(involucre phytolith layer),然而具有堅硬外殼的薏苡(通常用于裝飾)和較脆弱外殼的薏苡(通常用以當做糧食)其外殼中產生不同類型的植硅體:堅硬外殼的薏苡(裝飾用)中植硅體形態一致,為具有瘤狀突起的不規則球形(Blocky amoeboid),這些植硅體之間鏈接緊密,組成了堅硬不易碎的外殼(需要用錘砸開);較脆弱外殼的薏苡(食用)中植硅體則為常見的啞鈴型和棒型的組合,雖然有些植硅體形態因為擠壓而變形,但這些植硅體之間的鏈接并不堅固,因此表現出外殼較脆弱(用手指即可碾碎)。由于外殼的硬度是薏苡馴化的一個重要指標,研究認為薏苡外殼中植硅體的這種差異能夠應用于探討薏苡的馴化過程。

基于本文的研究材料,研究人員認為小穗中的植硅體產生可能受到了基因及分子調控的影響,體現了植物育種過程中的一種防御機制;同時此次研究認為,基于現有的研究材料,利用小穗中植硅體進行屬一級的分類較為可靠,未來采集更多樣品進行深入的研究可能能夠提供組(section,屬以下種以上的一個分類單元)或者種一級的分類標準,進而促進小穗植硅體鑒定標準的不斷完善。 

本研究在新發表的植硅體命名規則基礎上對涉及到的植硅體類型進行了重新的修訂和命名,為后續研究中植硅體的命名提供了參照;基于現有材料,研究人員提出了基于形態和形態參數的黍亞科小穗植硅體的鑒定標準,并且發現了可能用于探討薏苡馴化的植硅體特征,這些方面的研究能夠為準確識別植物種類、復原植被類型、古人植物利用和農業經濟提供可靠的參考指標。

本文合作者包括中國科學院地質與地球物理研究所呂厚遠研究員(共同通訊作者)、張健平副研究員,山東大學歷史文化學院王燦博士和中國科學院古脊椎動物與古人類研究所高星研究員。該研究得到了國家自然科學基金(41802021, 41830322和41430103)、中國科學院戰略性先導科技專項(XDB26000000)與博士后科學基金(2018M641480)的共同資助。 

Frontiers in Plant Science為英文植物學專業期刊,致力于發表全球前沿植物學及相關交叉學科的研究成果,具有較大的學術影響力(JCR分區:Q1,中科院SCI期刊分區:生物2區)。 




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