科研 | NAT ECOL EVOL：最大化全球系统发育多样性有效地捕获了服务于人类的植物

2021

06/01

微生态

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生物多样性和生态系统服务政府间科学政策平台（IPBES）最近批准对“野生”物种的使用进行评估，包括确定建立确保和促进可持续做法的措施的机会。

导读

进化论存在的分歧表明，要确保生物多样性直接给人类带来的利益可能需要依靠生命之树的不同谱系。然而，支持这一说法的证据仍不够充分。我们利用植物使用记录的全球综述，证明与随机选择的分类单元相比，系统发育多样性的最高水平捕获的植物使用记录数量要多得多。我们的研究建立了将进化史与人类福祉联系起来的经验基础，并将此作为讨论的基础，以更好地了解生物多样性直接提供的服务。

论文ID

原名：Maximum levels of global phylogenetic diversity efficiently capture plant services for humankind

译名：最大化全球系统发育多样性有效地捕获了服务于人类的植物

期刊：Nature Ecology & Evolution

IF：12.541

发表时间：2021.03

通讯作者：Rafael Molina-Venegas

通讯作者单位：阿尔卡拉大学

实验设计

我们使用了第四版《马伯利植物手册》中收集的信息，为迄今为止描述的所有维管植物分类群编制了属水平的植物使用记录数据集。我们对Mabberley的《植物手册》中描述的所有植物用途进行了仔细检查，并按照《经济植物数据收集标准》（以下简称“收集标准”）将其分为28个标准用途类别。当针对给定的分类单元描述了两个或两个以上相同类别的应用时，我们将它们视为单个植物使用记录。我们通过将二元矩阵中的条目（属水平的植物使用观测值）除以每个属的可接受物种总数（以下为《世界在线植物》），得出了一个权重较低的植物使用矩阵。在第二轮分析中使用第二个矩阵来考虑属水平数据集中植物使用记录与实际有用物种之间关系的不确定性。我们使用mega-treeGBOTB.extended生成了属水平的时间校准分子系统发育树，是迄今为止已发表的维管植物最全面，最复杂的分子系统发育树。为了考虑到分子树中遗漏的分类单元的系统发育关系的不确定性（以下称为“系统发育不确定的分类单元”或PUT36），我们使用分类和系统发育分类的系统化随机程序从后者推导了系统发育假设的分布，同时计算了系统发育多样性（PD）指数。

主要内容

进化是通向所有生物体的过程，因此是生物多样性直接给人类带来利益的基础，不仅包括基本资源，还包括心理和自我实现的需求。由于进化是一个不同的过程，因此一些研究人员声称，要确保由生物多样性直接提供的服务，可能需要依靠生命之树的不同谱系，因为它们可能会提供互补的利益。尽管学术文献中强调了这种理论背景，但将进化史与人类福祉联系起来的经验证据仍然存在争议。虽然一些作者认为，最大化系统发育多样性提高了人们对高水平特征多样性的认识，而其他人认为系统发育方法可能有一定的误导。这一争议反映了进化史与人类福祉之间的联系在很大程度上仍是理论上的，仅仅是迈向将其整合为科学范式的第一步。

在这里，我们提供了大量的证据，表明与表明与随机选择的分类单元相比，最大化全球植物系统发育多样性（PD_max）可捕获更多的人类利益（植物使用记录分类为28个标准使用类别），并且具有更高的多样性（记录在类别之间更均匀地分布），这支持长期以来的观点，即最大化系统多样性是检索高水平特征多样性的有效方法。我们的属水平分析是基于最全面的经过时间校准的维管植物进化树，包括全世界所有公认的维管植物属（总计13,489）以及从系统的植物文献和权威性网站获得的9,478种属水平的植物使用记录（存在/不存在）。

在任何样本量下，PD_max方法均优于随机选择的分类单元（图1a），相对收益在4％至46％之间变化（图1b）。该结果表明，在没有进化史以外的任何其他信息来源的情况下，寻找不同的系统发育谱系可以有助于最大程度地利用进化的自然服务。关于个别植物用途类别，相对于随机选择，PD_max在92％的比较中检索到了更多的记录（图2和补充图1）。而且，考虑到相对的类别，PD_max的相对记录收益总体上较高（补充图2），PD_max还可在大多数样本量的类别中检索出更均匀的记录分布（图1c）。这表明PD_max总体上比随机选择能回收更多的植物用途，并且它通过优化对某些最稀有用途的捕获来实现，从而带来了更为平衡的人类利益。PD_max和随机选择方法都可以在大多数样本量中获取最大的植物用途类别丰富度（n = 28），但在少数情况下，随机选择无法以10％和20％的样本量来检索类别的最大丰富度。

图1 植物使用记录的相对收益及其在不同类别之间分布的均匀性。a，通过PDmax和随机选择策略在整个样本量中检索到的植物使用记录总库（n = 9,478，所有使用类别的总计数）所占的比例。b，相对于跨样本量的随机选择，通过PDmax获得的植物使用记录中的收益。c，使用PDmax和不同样本大小的随机抽样方法的28种植物使用记录分布的均匀性（Pielou均匀度指数）。a和c中的符号表示名义上的alpha为10％（·），5％（*），1％（**）和0.1％（***）的统计显著性（基于SES分数）（双尾检验），百分比条中心的垂直细条表示95％的置信区间。

图2 每个类别的植物使用记录中的相对收益。条形图代表PD_max相对于随机选择获得的相对收益，其中S为总分类单元池的20％，在该样本量下观察到使用类别之间记录分布最均匀（图1c）。条形图上的符号表示名义上的alpha为10％（·），5％（*），1％（**）和0.1％（***）的统计显著性（基于SES分数）（双尾检验）。颜色代表《经济植物数据收集标准》（补充表1）中不同的类别组。请注意，为了优化图形的可视化，低于-30％阈值的值不会按比例缩放（仅一种类别，相对收益为-61％）。

我们的属级方法优于物种级方法，因为后者将遭受无法接受的遗漏错误（低于属水平的民族植物学知识较匮乏），并且尤其缺乏系统发育信息，但是由于植物使用的操作单位通常是物种，从而可能会带来一些不确定性。像这样，检索仅包含少数几个物种的有用属比使用相同用途的高度多样化的属更有价值，因为在前一种情况下，有关每个属中实际有用的物种的不确定性较小。但是，将我们的属水平植物用途观测值向下加权后，与每个属的物种丰富度成正比。对数据进行重新分析，结果表现出更强的模式（补充图3）。此外，PD值与世界上不同大陆地区的植物利益之间的关系（生物多样性信息1级标准，补充图4和5）表明，我们的结果在不同生物地理区域和不同时间尺度上进化的植物区系中是一致的。

PD方法的显著成功在于不同种类的系统发育结构。因此，我们发现封装在每个植物用途类别中的PD与PD_max方法下每个类别的记录相对收益之间存在很强的正相关关系，这意味着系统发育分散的类别预计会有更大的收益。实际上，相对于随机选择，PD_max代表性明显不足的唯一类别是橡胶植株（图2和补充图1），它们在系统发育上高度聚集（补充表2）。我们的结果补充了本地研究中先前的发现，即高水平的PD可以通过在系统发生距离较远的分类群之间有益特性的互补性来提高多功能性。例如，与随机选择相比，我们发现最大化全球PD捕获了更多产生针对有害无脊椎动物的天然毒药的植物类群（图2），这反过来可能意味着增加了控制不同无脊椎动物世系的有害影响的潜力。尽管无法用我们的数据检验后一种假设，但发现最终形成这种益处的大多数拮抗性植物-无脊椎动物相互作用在系统发育上是保守的并且在地理上受到限制支持了这一观点。因此，在全球变化的阴影下，依靠各种无脊椎动物的毒物和来自不同植物谱系的威慑力量可能有助于抵制来自世界不同地区的种系繁多的害虫。

值得注意的是人类需求和分类单元之间的未观察到的联系并不一定意味着将来不会找到该联系。生态外观假说指出，在某些用途的同等价值的分类中，最明显或最突出的分类是首选，因为它们很容易获得。此外，培养条件也可以解释某些类群的优先使用，而其他类群可以同样满足需求。类似于生态学预测，即相似表型的密切相关分类单元之间的较高竞争会导致更大的系统发生多样性，人类在利用可用植物资源中的偏好模式可能会加剧局部民族植物在系统发育上的过度分散。因此，生态和培养因素，加上植物谱系和人类培养方式在地理上或多或少受到限制，这可能是PDmax方法在捕获与植物生物多样性相关的人类利益方面取得显著成功的原因。

生物多样性和生态系统服务政府间科学政策平台（IPBES）最近批准对“野生”物种的使用进行评估，包括确定建立确保和促进可持续做法的措施的机会。这项保护计划的最终目标是确保生物多样性的“选择价值”，即与自然界中各种分类单元的持续存在相关的现在和未来的利益，而系统发育多样性也日益被认为是有价值的此类选择维护的标志。与IPBES的信念一致，即世界需要广泛地理解选择价值，这是自然对人类的重要贡献。我们的研究建立了将进化史与人类福祉联系起来的坚实的经验基础，并将其作为讨论的基线促进更好地了解生物多样性直接提供的服务。