深度学习挖掘的叶片特征揭示了杜鹃花属植物多样化的系统发育因素与环境驱动因素

《Journal of Ecology》：Deep learning derived leaf traits reveal phylogenetic and environmental drivers of diversification in Rhododendron

　　

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1. 叶片性状影响植物的热量和水分交换，这些性状受到进化历史和环境条件的共同作用。然而，对于物种丰富的类群来说，大尺度性状数据往往有限，这限制了我们评估演化过程中的性状差异与现代环境变化相对贡献的能力。
2. 本研究建立了一套自动化流程，从68,802份杜鹃花属(Rhododendron)标本中提取了44,020份标本的105,897片完整叶片的叶面积和圆度数据，涵盖624个物种和26个变种。叶面积显示出较强的系统发育相关性（Blomberg's K = 1.21），而圆度受共同祖先的影响较小（Blomberg's K = 0.50）。多最优解Ornstein-Uhlenbeck（OU）模型表明，杜鹃花属的祖先叶面积可能较小，并经历了6次适应性转变，其中大部分发生在30–10百万年前。从渐新世开始，叶面积的进化速率逐渐加快，这与喜马拉雅山隆升及相关气候重组的主要阶段相吻合。
3. 现代气候因素仅能解释叶片性状变异的一小部分。叶面积与昼夜温差、风速和海拔呈负相关，而与年均温、降水季节性和太阳辐射呈正相关（p < 0.05）。叶片圆度随降水季节性、风速和海拔升高而增加，随年均温升高而降低（p < 0.05）。即使在两个亚属共同分布且处于相似气候条件下，它们的叶片性状对风环境的响应也存在差异。在杜鹃亚属(Rhododendron)中，风速和海拔的升高会导致叶面积更快的减小和叶片更明显的圆化趋势；而在常绿杜鹃亚属(Hymenanthes)中观察到的不同叶片性状模式，则可能与其更常分布于遮蔽性生境有关，同时两个亚属对环境的敏感程度也存在差异。
4. 综上所述，杜鹃花属叶片形态的多样性不仅受到长期进化历史和现代环境的影响，还与不同谱系在相似环境生态位中采用的差异性适应策略有关。

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1. 叶片性状对植物的热量和水分交换起着关键作用，其变化受到进化历程和环境条件的共同影响。但由于物种丰富的类群数据有限，我们难以准确评估演化过程与当前环境因素的相互作用。
2. 本研究通过自动化方法从68,802份杜鹃花属标本中提取了44,020份标本的叶片数据，包括105,897片叶片的叶面积和圆度信息，涉及624个物种和26个变种。叶面积具有显著的系统发育相关性（Blomberg's K = 1.21），而圆度受共同祖先的影响较小（Blomberg's K = 0.50）。Ornstein-Uhlenbeck模型显示，杜鹃花属的祖先叶面积可能较小，并经历了6次适应性转变。从渐新世开始，叶面积的进化速率加快，这与喜马拉雅山隆升和气候变化的时间节点相吻合。
3. 现代气候因素对叶片性状变异的解释能力有限。叶面积与昼夜温差、风速和海拔呈负相关，与年均温、降水季节性和太阳辐射呈正相关（p < 0.05）。叶片圆度随降水季节性、风速和海拔升高而增加，随年均温升高而降低（p < 0.05）。即使两个亚属处于相似气候条件下，它们的叶片性状对环境变化的响应也存在差异。杜鹃亚属(Rhododendron)的叶片在风速和海拔升高时展现出更快的面积减小和更强的圆化趋势；而常绿杜鹃亚属(Hymenanthes)的叶片性状差异可能与它们更常栖息于避风生境有关，以及两者对环境敏感性不同。
4. 总体而言，杜鹃花属叶片形态的多样性不仅受进化历史和环境的影响，还与不同谱系在相似生态位中的不同适应策略有关。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

同行评审

本文的同行评审信息可访问：https://www.webofscience.com/api/gateway/wos/peer-review/10.1111/1365-2745.70440。

数据可用性声明

分割和其他相关数据的源代码可在Figshare上获取，链接为：https://doi.org/10.6084/m9.figshare.33387256（作者：Lyu，2026）。