进化遗产塑造了全球海洋中海草特征的地理分布

《New Phytologist》：Evolutionary legacies structure the geography of seagrass traits across the world's oceans

海草性状组成及分布模式受进化历史主导，而非当前环境因素，揭示出热带与温带海草在性状空间中的核心交集及温带扩张现象。

　　在当今全球环境变化日益加剧的背景下，了解生物如何适应和响应环境变化是生态学和进化生物学研究的核心议题之一。植物和动物的生存能力往往受到其生理结构、生活史特征和生态行为等“性状”的影响，而这些性状的分布模式则与地理环境、历史演化过程以及生物的进化历史密切相关。本文聚焦于全球海洋生态系统中的关键物种——海草，通过整合其分布信息、性状数据以及时间校准的系统发育树，揭示了性状的地理分布格局及其背后的驱动机制。海草作为海洋生态系统中重要的造景物种，不仅为众多生物提供栖息地，还在营养循环、气候调节和生物多样性维持等方面发挥着重要作用。然而，目前对于性状地理分布（即“性状生物地理学”）的研究仍较为薄弱，尤其是在海洋生态系统中。

研究团队通过对全球57种现存海草的性状、分布范围和系统发育关系的系统分析，发现尽管热带和温带海洋区域的海草种类数量存在近四倍的差异，但它们在性状空间中的核心性状却表现出高度一致性。这意味着，性状的分布不仅受到当前环境的影响，更深层次上与历史演化过程和共享的祖先特征有关。研究还发现，温带海草在性状空间中占据的范围远大于热带海草，而这一现象主要由系统发育的随机演化过程驱动，而非由特定的生态选择压力导致。此外，海草的性状分布模式显示出与纬度相关的“U”形趋势，但这种纬度效应在统计上并不显著，说明性状的地理分布更依赖于系统发育相关性，而非当前的环境条件。

研究采用了一种称为“β多样性加性分解”的方法，将性状相似性与系统发育关系和环境因素的影响区分开来。结果显示，海洋区域之间的性状相似性主要由系统发育关系决定，而环境变量在解释性状差异方面的作用相对较小。这一发现支持了“系统发育生态位保守性”（Phylogenetic Niche Conservatism, PNC）的理论，即物种倾向于保留其祖先的生态特征，从而限制了它们对环境变化的适应能力。同时，研究还指出，尽管某些性状如叶片长度和宽度可能受到环境因素的影响，但整体来看，性状的地理分布更多是由系统发育历史和进化过程塑造的。

研究进一步探讨了性状空间的分布模式，并通过比较不同海洋区域的性状多样性，揭示了海草性状的演化轨迹。例如，温带区域中的某些性状组合在热带区域中并未出现，这表明温带海草可能演化出了独特的适应策略，以应对更寒冷的环境条件。这种适应策略可能包括较长的生命周期、更厚的叶片结构以及特定的繁殖方式，这些性状在温带海草中表现得更为显著。相比之下，热带海草则表现出更短的生命周期、较小的叶片以及高度依赖种子库的繁殖策略，这些性状有助于它们在资源丰富、环境稳定的热带海域中快速繁殖和扩散。

研究还强调了系统发育树在解释性状分布中的重要性。通过构建完整的系统发育树，研究人员能够更准确地识别出不同区域之间的性状相似性是否源于共享的祖先特征，还是由于环境选择压力导致的趋同进化。结果显示，某些区域，如地中海和澳大利亚西南部沿海，由于其独特的地理历史和相对稳定的环境条件，成为海草性状演化的热点区域。这些区域的性状多样性不仅反映了长期的演化过程，也说明了系统发育关系在塑造性状分布中的主导作用。

此外，研究团队还通过多种方法验证了他们的发现，包括使用不同的性状权重、排除某些性状家族的影响以及进行敏感性分析。这些分析进一步确认了系统发育关系在解释海草性状地理分布中的关键作用。尽管当前环境变量在性状分布中仅起到了次要作用，但这一结论并不意味着环境因素可以完全忽略。相反，研究指出，性状的演化过程可能受到环境变化的长期影响，尤其是在一些长期受气候变化影响的区域，如热带海草分布区。

从生态功能的角度来看，海草的性状分布模式对理解生态系统服务和生物多样性维持具有重要意义。例如，海草床在碳储存、水质净化和生物栖息地提供等方面发挥着重要作用。因此，了解这些性状的分布规律不仅有助于预测海草在未来环境变化中的适应能力，也为制定有效的保护策略提供了科学依据。研究还指出，某些区域的海草性状可能对环境变化特别敏感，例如那些因气候和局部压力而受到威胁的海草床，其性状的丧失可能引发更广泛的生态后果。

然而，研究也指出了一些局限性。首先，由于缺乏个体层面的性状数据，研究未能充分捕捉到性状在不同环境条件下的细微变化。其次，研究中使用的性状数据主要基于物种的存在与否，而忽略了物种在群落中的优势度变化，这可能影响对群落组装机制的理解。此外，由于研究仅涵盖了约81%的已知海草种类，未被纳入分析的13种物种可能具有特定的地理分布模式，从而影响整体结论的代表性。

综上所述，本研究通过整合多种数据来源和分析方法，揭示了海草性状在不同海洋区域中的分布规律及其背后的演化机制。研究结果表明，性状的地理分布主要受到系统发育历史和祖先性状的影响，而当前环境因素的作用相对较小。这一发现对于理解海洋生物的适应机制、评估生态系统服务的稳定性以及制定有效的保护策略具有重要意义。未来的研究应进一步关注个体性状的变异、环境因素的长期影响以及未被纳入分析的物种对性状分布的潜在贡献，以更全面地揭示海洋生态系统中性状生物地理学的复杂性。