华夏植物群的植物附属物研究

The first tree forest appeared in the Middle Devonian and had significant impacts on the terrestrial ecosystem and global climate. However, compared with the high diversity in the modern forest, it is yet unclear how the ancient forest communities became adaptive along with the increasing of plant diversity. Plant outgrowths such as trichome, spine, tendril, aphlebiae and aerial root could have special functions on the protecting, defending, climbing, supporting and physiological accommodation, thus offer an available way to study the physiological and ecological adaptive strategy of the early forest ecosystem. Based on the newfound fossil material from Shanxi and Inner Mongolia, the applicant proposes to make a research on the plant outgrowths in Cathaysia Flora. The structural function will make certain according to their morphologies and the enlightenments of similar modern plants. Furthermore, their impact degree of adaptive strategy in the early forest ecosystem will be evaluated by the quantitative researches on the early Permian autochthonous swampy forest “vegetational Pompeii”.

地球上最早的树形森林出现于中泥盆世，对陆地生态系统和全球气候有着重大的影响。然而，与现代森林的高多样性相比，早期森林群落在多样性增加过程中的适应策略尚不清楚。植物附属物，如茸毛、刺、卷须、变态叶、气生根等，在保护幼体生长、抵御外界侵害、攀爬以及自我生理调节等多方面有着特化的功能，因此能为了解早期森林系统的生理、生态适应策略提供合理的思路。基于近年来在山西、内蒙古等地新发现的化石材料，申请者拟开展华夏植物群的植物附属物研究工作。通过对形态的细致观察及现代生物学中类似植物结构的启示，本项目将致力于厘清这些附属物的生理、生态学功能，尤其重点开展早二叠世原地埋藏沼泽森林——“植物庞贝”的定量化研究工作，评估附属物在早期森林生态系统适应策略中的作用程度。

地质历史上森林的形成对陆地生态景观产生了显著的变化，但人们对于早期森林生态系统的演化却知之甚少。究其原因，是因为特异原地埋藏化石森林的稀少。本项目重点对位于中国内蒙古乌达煤田的早二叠世化石森林宝库“植物庞贝”进行研究。具体研究思路中，本项目另辟蹊径，将研究对象选为森林中的植物附属结构，如茸毛、刺、卷须、变态叶、气生根等，探究其生理、生态功能，以此来评估该森林的复杂性以及演化程度。. 研究发现，“植物庞贝”中的辉木科树蕨植物的茎干表面气生根蔓层较薄，且茎干在底部向上一段距离后便达到了稳定的宽度，其生长模式明显区别于北美石炭纪辉木植物的“无限增粗”模式。同时，“植物庞贝”还发现有丰富的攀援型真蕨和种子蕨植物，依靠各种各样变态发育的附属结构作为攀援工具。这其中包括依靠吸盘和刺攀援的华丽美木目植物（种子蕨）Wudaeophyton wangii gen. et sp. nov.，依靠钩状倒刺攀援的髓木目植物（种子蕨）Yangopteris ascendens (Halle) gen. et comb. nov.，以及依靠钩状卷须攀援的回卷蕨植物（真蕨）Hansopteris uncinatus gen. et sp. nov.。此外，“植物庞贝”还发现了地质历史上第二例缠绕植物化石，将植物的缠绕习性由16 Ma直接追溯至298 Ma。更重要的是，其中的宿主植物被证明是攀援植物Wudaeophyton wangii。这种“双重攀爬”的现象表明攀援植物之间也存在空间竞争，进一步揭示了早期森林生态系统的生态复杂性。. 结合目前已发表和未发表的数据来看，令人震惊的是，达尔文总结的现生藤本植物的五种攀援类型，在当前“植物庞贝”单一森林系统中都有发现。这些化石与现生不同类群演化出的相似附属物，揭示了地质历史时期植物界可能长期存在的“趋同演化”现象。而如此高多样性的攀援植物以及普遍的“双重攀爬”现象，很可能与森林生态系统早期演化过程中树冠层的闭合息息相关。