植物学教案-西北师范大学

第十四章植物的进化和系统发育第一节植物进化的证据一化石证据二比较解剖学的证据三个体发育中重演现象的证据四生理生化的证据五分子生物学的证据第二节植物进化的趋势和进化方式一、上升式进化二、下降式进化三、趋同进化四、趋异进化五、平行进化六、特化或专化七、渐变式进化与跳跃式进化第三节生物进化的基本理论一、达尔文的自然选择学说二、现代遗传学对生物进化机制的一些解释(一)遗传与变异的辩证统一是植物(生物)进化的根本动力(二)自搔选择是植物进化的基本规律(三)人工选择(四)隔离在植物进化中的重要作用三、单元起源和多元起源(一)单元论(二)多元论四、植物的个体发育和系统发育(一)植物的个体发育(二)植物的系统发育第四节植物界的起源和进化一、地质年代与植物进化简史二、植物界的起源和进化简史(一)原核藻类的产生(二)真核藻类的产生和发展1藻类细胞的演化色素类型类囊体所含藻类a+d路线叶绿素a、藻胆素单条蓝藻门、红藻门a+c路线叶绿素a、叶绿素c2～3条一束隐藻门、甲藻门、黄藻门、金藻门、硅藻门、褐藻门a+b路线叶绿素a、叶绿素b2～6条一束原绿藻门、裸藻门、轮藻门、绿藻门2藻体形态的演化在绿藻门、红藻门和褐藻门中有类似“茎叶”的组织体，而且在生殖方式、生活史类型方面都发展到比较高级的水平，因此称为高等藻类，其它个门称为低等藻类。3繁殖及生活史的演化（1）繁殖方式：营养繁殖无性生殖有性生殖（2）有性生殖：同配生殖异配生殖卵式生殖4生活史：合子减数分裂（具核相交替）配子减数分裂（具核相交替）孢子减数分裂（同型世代交替配子体占优势的异型世代交替孢子体占优势的异型世代交替）（三）裸蕨植物的产生和蕨类植物的起源和发展裸蕨植物是最古老的陆生维管植物，存在于志留纪末期到泥盆纪晚期。无叶、无真根，具假根，地上部分为二叉分枝，原生中柱，孢子囊单室枝顶，孢子同型。他的出现开辟了植物由水生到陆生的新时代，由裸蕨植物又演化出了其他蕨类植物和原裸子植物，使植物界的演化进入了一个新阶段。多数人认为裸蕨植物起源于绿藻，也有人认为起源于褐藻或苔藓植物。古代和现存的蕨类植物的祖先都是裸蕨植物。裸蕨植物沿着石松类、木贼类和真蕨类三条路线进行演化和发展。1刺石松和裸蕨中星木属相似，认为是裸蕨植物和石松类植物之间的过渡。2最古老的木贼类植物海尼属和古芦木属，其特征和裸蕨类相似。3真蕨中的小原始蕨和古蕨被认为是介于裸蕨和真蕨之间的类型。（四）苔藓植物的产生1起源于绿藻（1）叶绿体结构和绿藻的载色体相似，都含有叶绿素和叶黄素，光合产物为淀粉。单细胞具鞭毛单细胞具鞭毛的群体单细胞具鞭毛的多细胞体单细胞无鞭毛群体多细胞不分枝丝状体分枝丝状体叶状体异丝体枝状体（2）原丝体很象丝藻。（3）有性生殖产生具2条顶生等长鞭毛的游动精子，与绿藻相似。2起源于裸蕨类（1）角蕨属和鹿角蕨属无真正的叶和根，孢子体为二叉分枝，具假根，和苔藓植物体相似。（2）角蕨属和孢囊蕨属的孢子囊内具不育的囊轴，类似苔藓植物的蒴轴。（3）孢囊蕨属中无输导组织。苔藓植物的配子体虽然有茎叶的分化，但结构简单，喜欢阴湿，有性生殖时必须借助于水，这表明它是由水生到陆生的过渡类型植物。但由于其配子体占优势，孢子体依附于配子体上，因而在陆地上难于进一步适应发展，不能象其他孢子体发达的陆生高等植物，能很好的适应陆生生活。（五）原裸子植物和裸子植物的起源和发展原裸子植物出现在泥盆纪中晚期，由裸蕨类植物进化而来，具有蕨类植物和裸子植物的共同特征。原裸子植物外形似蕨类，但未形成种子，仍以孢子进行繁殖，其次生木质部由具缘纹孔的管胞组成。裸子植物在系统发育过程中：植物体的次生生长由微弱到强茎干由不分枝到多分枝孢子叶由散生到聚生成各式孢子叶球大孢子叶逐渐特化雄配子体由吸器发展为花粉管雄配子由游动的，多鞭毛精子，发展到无鞭毛的精核颈卵器由退化、简化发展到没有（六）被子植物的起源和演化被子植物起源包括起源的时间、地点和祖先的来源等问题，其中祖先来源问题从根本上来说是最重要的。但是起源的时间和地点将会帮助我们去发现祖先的渊源。长期以来，特别是上世纪六十年代以来，由于采用了新的研究方法，摆脱了过去的偏见，重新研究和评价了过去的工作，使被子植物的起源问题的研究有了一定的进展。（一）起源的时间早在一百余年前，达尔文在“物种起源”一书中对被子植物在白垩纪时突然出现，认为是一个可疑的秘密，当时他归结为“地质纪录不完原裸子植物种子蕨柯的狄类苏铁纲本内苏铁纲红豆杉纲银杏纲松柏纲全”的结果。一百余年后的今天，有关被子植物起源的时间问题，虽有了一定的进展，但由于可靠的化石证据不多，大多数的结论仍然是推论性的，粗略归纳起来，有两种不同的观点：1．古生代起源说这是一个较老而占统治地位的观点。坎普（Camp）、汤姆斯（Thomes）、埃姆斯（Eames）等学者主张被子植物起源于古生代。突出的例子是Plumstead在南非二迭纪地层中发现的舌羊齿（Glossopleris），具有两性的结实器官，被认为是被子植物的祖先，以此认为“被子植物发生于南半球西南太平洋地区”，并认为被子植物起源于二迭纪。上述的论断虽受到不同程度的反对，但它给被子植物的发生和发展提出了新的线索，有待今后进一步验证。值得进一步指出的，最近拉姆肖（Ramshaw）等人通过对被子植物细胞色素C中氨基酸顺序的研究，发现凡是系统上亲缘关系近的，氨基酸排列顺序相似，关系远的，排列顺序相差很大，并提出被予植物起源于4到5亿年前，支持被子植物起源于古生代的奥陶纪到志留纪。他们还认为，象胡麻（Sesame）、苘麻（Abutilon）和卷心菜（Cauliflower）这些较特化的植物群，在白垩纪之前（2×108年）就存在了。由于这些结论和大量的形态学和古植物学的证据相矛盾，因此，很少有人支持这样的解说。但这方法为我们进一步研究被子植物的发生和发展，提供了新的研究途径。2．白垩纪（或晚侏罗纪）起源说当前多数学者认为被子植物起源于白垩纪或晚侏罗纪。例如，从印度侏罗纪地层中出现的印度同型木（HomoxylonrajmakalenseSahmi），次生木质部由梯纹管胞组成，与木兰目中的昆栏树属（Trochodedron）、水青树属（Tetracentron）和Winteraceae的木质部的结构相近，曾被人视为可能是原始被子植物化石，但后来查明属于本内苏铁科（Bennettitaceae）植物的次生木质部的化石（Hsü．JetM．N．Bosa）；最近，在黑龙江北岸晚株罗纪到早白垩纪地层中发现一种名为喙总穗（Dirhopalostachysrostrata）的植物化石，它的生殖枝上螺旋排列着稀疏而成对的蒴果，这种蒴果有反卷的顶喙，腹缝线开裂，内生一颗扁平的种子；花粉粒呈单沟椭圆形。它可能和金缕梅科有亲缘关系，Krassilox认为是一种前被子植物，但它是否是最原始的被子植物，有待进一步研究；又如，在英国苏格兰、瑞典和德国的侏罗纪地层中，都发现过一些单沟花粉，曾认为是被子植物的，并与莲属和睡莲属花粉十分接近，休斯（Hughes）和Coupr查明为裸子植物的花粉。被子植物化石，只有在早白垩世的上半期，在北半球的北美、葡萄牙、远东等地，才出现无可置疑的双子叶植物的叶痕化石，而木材、花和果实化石甚为罕见。如在美国加利福尼亚州早白垩世欧特里夫期（距今约1．2亿年）地层中，发现被认为是最早的较为可靠的被子植物果实化石——加州桐核（Onoanacallforn1a）。我国早白垩世地层中的被子植物化石，近年来发现于吉林蛟河和延吉大拉子组的木患与延吉叶。苏联西伯利亚东部早白垩世地层中，也有一种被子植物果实（Kenellaharrisiana）和叶片化石的发现。欧洲早白垩世的山龙眼叶、楤木、木兰和月桂等属发现于葡萄牙，共同发现的还有可能是已知最早出现的单子叶植物化石——细弱早熟禾（Poacitestenellus）。英国的早白垩世地层，则还有被子植物木材化石的发现。最近多伊尔（Doyle）和马勒（Muller）根据早白垩世和晚白垩世地层之间孢粉的研究，支持被子植物最初的分化是发生在早白垩世，大概在侏罗纪时期就为这个类群的发展准备了条件。这一观点也为沃尔夫（Wolf）从美国弗吉尼亚的帕塔克森特岩层的早白垩世的叶化石证据所支持。这些叶化石中木兰型的特征占优势，因此，他们得出结论是：在白垩纪木兰目的发展先于被子植物的其他类群。综上所述，被子植物最古老的原始类型到底是什么样子，依然是个未解之“谜”。但是，被子植物起源的时间似乎可以肯定，是在白垩纪以前的某个时期。（二）发源地被子植物的发源地也存在着十分对立的观点：即高纬度——北极或南极起源和低纬度——热带或亚热带起源说。1．高纬度起源说希尔（Heer）根据对北极化石植物区系分析的基础上，较早认为被子植物是在北半球高纬度地区所谓北极大陆上首先出现，他的观点，曾得到不少古植物学家和植物地理学家的支持。按照这个假说，认为植物通过三个方面向南分布：（1）由欧洲向非洲南进；（2）从欧亚大陆向南发展到中国和日本，再向南伸展到马来西亚、澳大利亚；（3）由加拿大经美国进入拉丁美洲，最后扩散到全球。这一观点的支持者，常常引证北极的“早”白垩世植物区系的证据。可是通过对北极被子植物化石植物区系的研究，认为早白垩世的北极区系并无被子植物的踪迹，因此，现在看来，这种主张证据是不足的。2．中、低纬度起源说目前，大多数学者支持被子植物起源于热带。近数十年来的资料表明，大量被子植物化石在中、低纬度出现的时间实际上早于高纬度。如美国加利福尼亚早白垩世发现的被于植物果实化石——加州洞核，同一时期，在加拿大的地层中却还无被子植物出现，加拿大直到早白垩世晚期，才有极少数被子植物出现，其数量仅占植物总数的2一3％，而在美国早白垩世晚期发现的被子植物，已占植物化石总数的20％左右。在亚洲北部和欧洲，被子植物出现的时代都比较晚。以上事实表明，被子植物是在中、低纬度首先出现，然后逐渐向高纬度地区扩展。现代被子植物的地理分布情况，同样说明植物可能起源于中、低纬度地区。在现存的400余科被子植物中，有半数以上的科依然集中分布于中、低纬度地区，特别是被子植物中的那些较原始的木兰科、八角科、连香树科、昆栏树科、水青树科等等更是如此。贝利（Bailey）、史密斯（Smith）、塔赫他间（Takhtajan）以现代被子植物科的分布以及化石证据的分析，发现西南太平洋和东南亚地区原始毛茛类型（广义的木兰目）分布占优势，认为这个地区是被子植物早期分化和可能的发源地。我国植物分类学家吴征镒教授，从中国植物区系研究的角度出发，提出“整个被子植物区系早在第三纪以前，即在古代‘统一的’大陆上的热带地区发生”，并认为“我国南部、西北部和中南半岛，在北纬20度-40度间的广大地区，最富于特有的古老科属。这些第三纪的平原地区热带雨林中植物十分丰富，并有许多接近于原始类型的被子植物，而且被子植物可能起源于这一区域热带平原四周的山区。由此可见，中、低纬度的热带和亚热带地区，确实象是被子植物的起源中心，并从这里，它们迅速地分化和辐射，向中、高纬度发展而遍及各大陆”。根据现有地理学和生物学证据，都支持板块学说。因此，在讨论被子植物早期演化时，必须考虑在地质时期大陆的相关位置。根据板块学说，在白垩纪时，地球可分为三个大陆板块：（1）劳西亚板块，包括现在的欧亚和北美；（2）西冈瓦纳板块，包括现在的非洲和拉丁美洲，并通过非洲直接同欧洲大陆连接，（3）东冈瓦纳板块，包括现在的大洋洲和南极大陆，并通过南极大陆和拉丁美洲而与西冈瓦纳板块接近，因此，当时的南美、非洲和欧洲南部都是相连的。而且延至东南亚都属热带。雷文（Raven）和阿克塞尔罗（Axelrod）等人根据板块学说和古植物的证据，主张被子植物可能起源于西冈瓦纳板块，并认为由于地质和气候条件的变迁，干旱扩展而引起非洲植物大量绝灭，使很多早期“原始”的被子植物从非洲消失。因此，原始被子植物最初可能扩展到这种气候均匀的亚热带高地。东南亚和大洋洲就成为保存原始被子植物最好的避难所。总之，被子植物起源的地区依然是处于推测的阶段，由于化石植物缺乏和对过去发