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该团队在南京花化石研究取得新进展，证实被子植物在侏罗纪的存在

花匠小妙招
2024-11-02 15:43

公众号：高被引

近日，中国科学院南京地质古生物所研究员王鑫、傅强等利用微CT技术穿透南京花化石材料、揭示了肉眼无法直接观察到的化石内部结构。相关研究以《Micro-CT results exhibit ovules enclosed in the ovaries ofNanjinganthus》为题于1月10日发表于《科学报告》。

背景介绍

古植物学家长期认为，白垩纪之前没有被子植物。2018年，最古老的花朵化石南京花（Nanjinganthus）的发现则打破了这种观点，南京花保存于1.74亿年前的早侏罗世地层，比白垩纪还要再早大约5千万年。然而，早侏罗纪被子植物南京花的发现引发了植物学家之间的激烈植物学辩论。当他们声称在南京的一个卵巢内存在两个或多个胚珠时，研究团队等人进退两难：在南京花的单个标本中，胚珠要么在卵巢破裂时可见，要么在卵巢完整闭合时不可见，但在完整的闭合子房中看不到胚珠，因为传统技术不允许在单个标本中同时展示胚珠和完整的封闭卵巢。从技术上讲，如果这两个特征（胚珠和闭合的卵巢）不能在单个标本中得到证实，那么南京植物的被子植物亲和力仍然是推测性的。Micro-CT技术的应用使研究者能够无损地揭示化石植物中难以或不可能显示的内部特征，为了消除对南京的最后一个疑问，研究者们对南京花的三维保存聚化压缩进行了显微CT观察。研究结果证实了南京花是早侏罗纪被子植物的结论。

图文导读

PB22279是一种自上而下压缩的煤化花（图1a）。花的直径约为8.6毫米，而子房的直径约为3.5毫米（图1a）。雌性花在子房的上缘有花瓣和萼片（图1a）。原始的子房顶部是完整的，完全密封了子房，仅在花的Micro-CT虚拟部分中模糊可见（图1a-c）。胚珠被子房顶遮蔽（图1a，b）。显微CT观察结果表明，卵巢内至少有两个胚珠（图1c-g）。胚珠的大小、形状和方向各不相同（图1c-g）。一个胚珠呈椭圆形，2.22×1.95毫米（图1d，e），而另一个胚珠为截短楔形，2.0×1.24毫米（图1f，g）。胚珠的厚度为0.22至0.27毫米（图1c）。

图1

南鹦鹉及其在子房内的胚珠。PB22279.所有比例尺 = 1 mm。（a）煤化压缩的自上而下视图，中间有一个子房（o），其中一个花瓣（p）从沉积物中剥落。花瓣和卵巢的轮廓用虚线标记。转载自傅等人。6.（b）整体式卵巢屋顶，由于保存而出现裂缝。（c-g）是显微 CT 虚拟切片。转载自傅等人。6.（c）垂直部分显示被子房顶部覆盖的两个胚珠（黑色箭头）（白色箭头）。（d，e）两个横向部分显示卵巢内的一个椭圆形胚珠，指的是插图，其中胚珠是灰色的。（f，g）两个横截面显示卵巢中另一个截短的楔形胚珠，指的是插图，其中胚珠是灰色的。

PB180516在沉积物中累积了多个煤化花（图2a）。本研究中重点研究的花完全嵌入沉积物中，因此肉眼看不见（图2b-h）。花是三维保存的，子房包括碗状的基部和子房顶部（图2b-h）。卵巢直径为2.5-3.4毫米。在卵巢的顶部是一个薄层状的卵巢顶部，密封卵巢，卵巢周围是花瓣（图2f-h）。卵巢内至少可识别两个胚珠（图2b-h）。在虚拟垂直切片中，可以看到胚珠通过索道附着在卵巢的侧壁上（图2f，h，4）。

图2

南鹦鹉及其在子房内的胚珠。PB180516.所有比例尺 = 1 mm，注释除外。（a）粉砂岩中嵌入的几种煤化压缩。比例尺 = 1 厘米。（b–e）（a）（a）所示标本中完全嵌入（不可见，在a中的矩形中）的花的子房的虚拟横截面，按升序排列。（f，g）花的两个虚拟垂直部分显示在（b-e）中，显示带有子房顶部（三角形）和花瓣（p）的子房。（h）（f）中矩形区域的详细视图，显示附着在卵巢内壁上的漏状胚珠（o），该胚珠具有屋顶（三角形）和花瓣（p）。为了便于观察，该数字垂直拉伸了 700%。

PB22281是一种嵌入沉积物中的横向压缩煤化花（图3a）。通过分化，前景中卵巢的外围部分被移除，露出卵巢顶部附近的细节（图3b-d）。子房顶部是一些平坦的圆顶，使卵巢与世隔绝（图3b-d）。子房顶部有光滑的外表面和内表面，厚度为122μm，横跨卵巢顶部（图3b-d）。卵巢中没有沉积物表明卵巢完全被子房顶部封闭（图3b）。

图3

南鹦鹉.PB22281.（a）一种凝聚的横向压缩花，带有子房（o），萼片（s）和花瓣（p），嵌入粉砂岩中。转载自傅等人。1.比例尺 = 1 mm。（b）（a）所示花的基部的详细视图，显示沉积物和子房顶部之间的清晰边界（三角形），通过分化暴露出来。比例尺 = 0.5 mm. （c）（b）所示部分的 SEM 视图。比例尺 = 0.5 mm。（d）（c）中矩形区域的详细视图，显示将卵巢与外部隔离的子房顶部（三角形之间）。比例尺 = 0.1 毫米。

小结

此次科研团队对三维保存的南京花炭化标本进行了Micro-CT研究，成功观察到了南京花封闭子房内部保存的胚珠——而这正是被子植物的关键特征。该发现再次明确了南京花的被子植物属性，也确认了被子植物在侏罗纪的存在，有助于进一步理清对被子植物早期历史的认识。

作者介绍

王鑫，男，中国科学院南京地质古生物研究所研究院研究员，美国植物学会会员；美国地质学会会员；美国地球化学学会会员；美国Sigma Xi 研究协会会员；中国古生物学会会员。

主要成就：

1．开展了植物化石细胞质的研究，提出了新的化石化机制，从理论和实践上证明了植物细胞质化石的普遍存在。细胞质化石虽然在过去国外有所报道，但是到为止所有化石化理论都认为是特殊的保存现象和机制。本人通过对美国白垩纪植物化石材料的研究提出雷电及野火很可能在很短时间快速完成化石化过程。这与过去人们认为的长期缓慢的化石化过程形成了强烈的对比，增进了人们关于化石化过程多样化的认识。

2．首次观察到了化石植物生理活动的化石记录。化石植物的生理活动在过去对古植物学家来说简直是天方夜谭。但是随着植物细胞质化石研究的不断深入，这已经成为了古植物学家的现实的研究目标。本人通过实践不仅观察到了细胞膜、内质网等亚细胞结构，而且首次成功地观察到了植物细胞中穿过细胞膜的物质运输现象。由于这种生理现象过程极为短暂，因而从侧面支持了上面的快速化石化理论。

3．提出了新的膜融合模式。膜融合是现代生物学中一个重要的研究焦点，所有的膜融合模式都认为所有的膜融合都是对称的（发生于两个单位膜之间），同时单层膜在细胞中鲜为人知。本人通过化石的研究认为，单层膜不仅存在与细胞之中而且还会可能和双层膜发生不对称融合。这不仅补充了膜融合模式的缺陷，而且为进一步现代生物学中研究膜融合提供了新的思路。

4．通过对辽西植物化石十多年的潜心研究，提出Schmeissneria属很可能属于被子植物）的认识，突破了被子植物的白垩纪化石记录，把被子植物的起源时间从早白垩推前到三叠纪。新的化石不仅提供了更古老的被子植物化石证据，而且其性状特征也离人们的期望相差甚远，从而可能对被子植物的起源、进化及系统学产生重要影响。