衍生的木质和一年生习惯在非洲伞形植物中进化，作为应对干旱的替代解决方案

背景

被子植物进化的主要趋势之一是从木质习性向草本习性的转变。然而，在许多远亲枝系中也报告了被称为派生木质的反转。在解释促成衍生木质演化因素的理论中，有温和气候理论和空化理论。第一种假设，木质习惯的进化是为了适应温和的气候，允许延长寿命，从而导致更大更木质的身体。第二种认为木质是自然选择的结果，在季节性干燥的环境中具有更高的抗空化能力。在这里，我们比较了木质和草本植物的气候生态位，主要是南部非洲，伞形植物来自Lefebvrea枝来评估木本类群是否确实发生在明显干燥的栖息地。我们还校准了它们的系统发育，以估计衍生木材的进化时间。最后，我们描述了选定的木质和草本类群的木材解剖结构，看看生命形式是否与任何特定的木材特征有关。

结果

黄生植物和显生植物的衍生木质演化，以及黄生植物向短命一年生植物的转变Lefebvrea演化枝大致发生在同一时间:在全球气候干旱化趋势的中新世晚期。来自开普区系的木质和草本属的气候生态位重叠。只有两个属具有明显不同的气候偏好:它们是草本植物，出现在开普植物区系以外。因此，被研究的草本植物的整体气候生态位比它们的木质表亲更宽。木质和草本物种在木材的定性解剖上没有差异，这更多地受茎结构和繁殖策略的影响，而不是受习惯的影响。

结论

古干旱很可能是刺激了森林衍生木材的进化Lefebvrea演化枝，支持空化理论。短命的一年生植物在夏季之前枯萎的同时进化，是干旱引起的空化问题的另一种解决方案。生命形式的变化很可能既没有受到任何定性木材特征的刺激，也没有受到任何定性木材特征的阻碍，这些特征反过来更多地受到节间长度的影响，可能也受到繁殖策略的影响。

被子植物——不像它们现存的近亲——在寿命(一年生到多年生)、繁殖策略(单果和多果)和木质程度(从完全没有二次生长的物种到二次木质部厚达数米的巨大树木)方面非常多样化。他们最近的共同祖先的习惯仍然不清楚，但最有可能的是，他们拥有一种功能形成层，可以生产有限数量的木材[1，2］．这一解释与黑暗而不安假设第一批被子植物占据(亚)热带森林不断变化的下层植被的假说[3.］．在这样的环境中，较短的寿命和较小的快速发育的身体是有利的，因为它们允许在威胁植物生存的连续干扰之间较短的时间间隔内完成生命周期。寿命的缩短只允许少量的木材沉积，但相反的情况并不是强制性的:例如，柳属北极蛤属很容易比树生物种活得更久，但它们只生产一小部分木材[4］．事实上，从木质较多的祖先到木质较少的后代的进化可能是被子植物进化的主要趋势，导致许多草本谱系能够占据不稳定的生态位，而它们的木质亲属几乎无法获得[5］．然而，向草本性的进化并不是唯一的方向。木质部沉积的不断增加导致了祖先(主要)木质类群(例如樟科)，而其他类群-经过一段时间的草本性-逆转了这一趋势并产生了木质后代:这种现象被称为(系统发育)衍生或次生木质[6］．衍生的木质在多个远亲谱系中进化[6，7]，证明了在进化的整个“草本阶段”都保留了生产大量木材的能力。事实上，在大多数非单子叶草本植物中都发育有完整的次生木质部，这使得草本和木质类群之间的区别变得模糊。8，9］．

是什么阻止非单子叶植物的形成层完全丧失功能?首先，调节形成层活性的基因可能具有多效性，它们的完全丧失将扰乱植物的其他功能[10］．其次，最小形成层活动可能对整体植物适应度无关紧要，因此可能不会被反选择。不管原因是什么，这种保留使被子植物具有很强的适应性，使它们能够根据当前的进化压力来改变产生的木材数量，并被认为是它们成功的一个可能的关键。2，11］．同时，值得注意的是，即使在木质部发生过程中丧失了优先表达的基因，然后形成层活动完全丧失，也不一定排除一系列生命形式的进化——从一年生草本植物到树木——这在单子叶植物中得到了证明[12，13，14］．

如上所述，更长的寿命允许(但不是同义词)生产大量的木材。事实上，实验研究答:芥显示通过人工剪花或敲除开花启动基因来延长营养生长导致次生木质部沉积增加[15，16］．在稳定、温和的环境中，植物更有可能在不遭遇季节性干旱或冰冻的情况下完成其生命周期[11］．这种情况在(亚)热带海洋岛屿上经常发生。因此，我们有理由期待草本植物从大陆到达这样一个岛屿后，通常会延长它们的寿命，同时增加木材的数量，从而衍生出木质后代(在这种情况下命名为岛伍迪):由卡尔奎斯特首先提出并命名的概念温和气候理论［17］．此外，海洋岛屿通常没有大型食草动物，使新来者免受在大陆观察到的另一个有害因素的影响[18］．在热带高山的斜坡上也发现了类似岛屿的情况。这些天空岛已被证明具有派生的木本类群的多样性[10，19，20.，21]，支持稳定、温和的气候在从草本植物到木本生命形式的进化中所起的作用。

然而，对加那利群岛植物群的调查[7]揭示了大部分衍生的木质类群并不占据适度的生态位——这与适度气候理论不一致——而是局限于明显干燥的低地地区。对这种明显的不一致的一种解释是，木质类群可能更能抵抗干旱引起的栓塞(也称为“空化”:在木材中形成气泡，阻碍水分运输，并可能导致较低的光合速率)，因此也比它们的草本亲戚更好地适应干燥的栖息地[22］．事实上，比较岛状木本间的栓塞抵抗Argyranthemum(菊科)及其草本近亲[23，24]，以及在木质和较少木质的草本十字花科植物中[25，26]的研究结果显示，产出更多木材的物种和标本不太容易出现空化现象。然而，大量的木材和抗旱性之间的关系并不是那么直接。例如，衍生的木本茜草科占据明显不同的栖息地:从非常干燥到非常潮湿[27]，而其中一些同时生长于热带高地地区[20.]，而几乎所有香脂科植物(草本和衍生的木质)都只生长在潮湿(或半水生)的环境中[28］．此外，更木质的习性可能并不会普遍地表现出更强的抗栓塞性:对草本和木质被子植物的广泛比较表明，这两类植物具有相似的耐旱性范围(然而，这项研究偏向于草类)[29］．

由此可见，衍生木材的进化是对各种(有时是相反的)因素的反应。然而，出现了两个主要趋势:(1)温和的气候(有时加上缺乏大型食草动物)使植物摆脱季节性的影响，使它们能够延长营养生长，并受益于可重复使用的身体[2，30.(2)干旱引起的栓塞可能是如此有害，以至于自然选择倾向于更有抵抗力，因此更容易生长的习性。这两种解释近年来比较受欢迎[2，7，21，但他们并不是唯一的。达尔文提出，岛状木质是新来者草本植物为获得光照而激烈竞争的结果[31］．另一方面，华莱士强调，在传粉媒介稀缺的环境中，更长寿(因此更林地)的习惯是有利的[32]:多年生类群有更多时间与传粉者互动，从而避免自交的有害后果[33，34］．

在Apioideae中也发现了衍生木质的情况，这是目前在apioaceae中确认的四个亚科中最大的一个[35](关于将Saniculoideae亚科的成员视为Apioideae内的部落的另一种划分方法，请参见[36])。Apioideae亚科以草本类群为主，其最近的共同祖先也极有可能是草本植物[37，38，39];因此，这个亚科的所有木质都可以被安全地识别为衍生的。然而，这种情况并不多。明显的木质习性在主要南部非洲部落Heteromorpheae中占主导地位[40]，但除此之外，每支只局限于少数种:在纳米比亚的单型部落Marlothielleae中，主要是地中海Bupleureae [41),中美洲Arracacia胡萝卜族支系，岛状种(胡萝卜属， Daucinae亚部落)源自马卡罗尼西亚[42]，主要是地中海沿岸和北非的芹菜(三种灌木状植物Deverra在非洲南部也有发现;Apieae) [43，44),撒哈拉以南Lefebvrea茄科枝[37，38，45，46，47]，以及在少数与世隔绝的Selineae和Echinophoreae (当归lignescens，Nirarathamnos asarifolius，Pycnocyclaspp。Xyloselinumspp。)48，49］．

迄今为止，已在马卡罗尼西亚胡萝卜、地中海和非洲胡萝卜科研究了Apioideae中衍生木质的进化[42，43］．在第一种情况下，有人认为衍生木材的进化是为了应对温和的季节性气候。在木质Apieae中，选择更高的抗栓塞性似乎是一个更可能的解释。这两个案例进一步强调了在相关进化支中驱动衍生木质的发生的原因可能是多么不同。在本研究中，我们使用了Lefebvrea(桃科，Apioideae, apaceae)，以明确验证派生木材的进化与气候生态位之间的联系。

陶艺科由三个支系组成:主要是欧亚陶艺科，高加索-阿拉伯Cymbocarpum演化支和撒哈拉以南Lefebvrea进化枝(50］．大多数种类是草本，而木质形式被发现在两个属Lefebvrea进化枝:Nanobubon(与木质地下茎的茎瓣)和Notobubon(灌木及灌木，偶尔亦为中等大小的乔木)[37，45，46］．使用Lefebvrea以进化枝为模型，我们检查了木质习性的进化是否与任何特定气候生态位(例如，干燥或中等生境)的偏好相结合，或者习性的进化是否独立于所占据的生态位。为此，我们估计了衍生林地开始的时间，并重建了祖先的习惯(寿命、繁殖策略和生活形式)。我们用了朗克尔的[51他们推断，较大的生命形式(变生植物、显生植物)通常需要更强的机械支撑，因此也更有可能比它们的草本-植生或半植生亲属沉积更多的木材。这与我们在早期研究阿片类衍生木质时采用的方法相同，因为所有被研究的物种都保留了形成层活性[42，43］．我们还研究了Tordylieae的木质和草本代表的次生木质部解剖结构(主要集中在Lefebvrea枝)和木质外群(Pycnocycla以评估这两种习惯在定性木材特征上是否有所不同。最后，估算了该属所占的气候生态位Lefebvrea进化枝。在这个分支中，生命形式的显著差异是在属水平上，而在属内，生命形式相当同质。据此，我们评估了木本属(Nanobubon，Notobubon)表现出比它们的草本表亲更喜欢干燥或更温和的栖息地。

系统发育关系和衍生木材的年龄

用最大似然(ML)和贝叶斯推理(BI)解析的系统发育关系非常相似，检索到Tordylieae的三个主要演化支(图2)。1)．在ML分析中，Lefebvrea是剩下的属的姐妹Lefebvrea分支(尽管有较差的引导支持，BS = 40%;ML系统发育树可在线获得，参见本文下的“补充信息”)。这支支系中其余的属间关系实际上仍未解决(BS < 50%)，除了Dasispermum而且Capnophyllum姐妹关系(BS = 91%)。所有属均为单系，只有两个属为单系Scaraboides被放置在Dasispermum(BS = 90%)，和Notobubon pearsonii与它的同族不是一组，而是姐妹Cynorhiza迪比卡(BS = 51%)，唯一代表Cynorhiza在我们的研究中。

在贝叶斯50%多数规则共识树(图。1的泛型间关系Lefebvrea除了姐妹之间的关系外，演化支还没有解决Dasispermum而且Capnophyllum(pp = 1.0)。这支进化枝又是Notobubon(pp = 0.84)。与ML树类似，Scaraboides manningii被解决为亲戚Dasispermum,Notobubon pearsonii是姐妹Cynorhiza迪比卡(pp = 1.0)。

主轴斜率参数的95%置信区间跨度为0.99-1.23，这表明，与一次校准相比，二次发散时间估估的系统偏差可以忽略不计。1)．Tordylieae的年龄确定在1488万年(My)， 95%最高后密度(HPD)区间为17.64-12.24。的Lefebvrea枝起源于12.38我的时间(火奴鲁鲁pd: 14.93-9.89)，和它的皇冠枝(即，不包括Afroligusticum，Lefebvrea,Stenosemis解析为10.96 My old (HPD: 13.29-8.75)。Nanobubon多样化(即，它的皇冠年龄)8.85(火奴鲁鲁pd: 11.3-6.42)的最近的共同祖先Capnophyllum，Dasispermum,Notobubon(以下称为CDN)生活在9.43 My ago (HPD: 11.63-7.35)，这三个属随后的变化(即它们的冠龄)分别为0.96(1.66-0.36)，4.53(5.93-3.24)和8.49 (10.87-6.22)My ago。

系统发育特征定位

祖先国家重建的结果需要谨慎解释:虽然寿命、生命形式和繁殖策略是独立估计的，但它们在生物学上是相互关联的。一年生植物可以作为种子(疏生植物)或幼苗(半疏生植物)在一个不利的时期存活下来，但它们总是单果。二年生植物是单果半氪植物。多年生植物类群是单植物或多植物，范围从半植植物，到变植植物到显植植物，但绝不可能是隐植植物。生活史特征在植物分类划分中的适用性LefebvreaClade在其他地方被认为是[37，38］．

使用最大简约(MP)和ML方法重建的祖先状态有不同程度的差异，因为只有ML方法考虑了分支长度(图2)。2)．此外，MP是在共识树上进行的，而对于ML，我们使用了来自贝叶斯分析的180,000个超系统发育树的后验样本。在我们的ML结果总结中，我们考虑了后系统发育样本中给定节点中给定状态被重建的次数(图中第二面板中的百分比值)。2)，以及每个状态的相对支持度(图中第二个面板中95%最高后验密度区间的图。2）;当ML重建与MP方法不同时，我们任意使用MP作为决定因素。

类的最近的共同祖先Lefebvrea分支(图中节点A)2)重建为多年生偏生多果植物。该支系冠群的最近的共同祖先(节点B)保留了相同的繁殖策略和寿命，但其生命形式可以从两种方式来解释。(1)进化出更大的恒生植物习性，这种组合(即多年生恒生植物)后来成为恒生植物的祖先Nanobubon(节点E)， CDN(图中节点C)。2)．这种组合也被保留在Notobubon(节点F)，而最近的共同祖先Capnophyllum而且Dasispermum(节点D)经历了寿命缩短，并伴随着较小的体发育和果实数量的减少(即单果，一年生植物)。或者，(2)最近的共同祖先Lefebvrea分支冠群(节点B)和CDN最近的共同祖先(节点C)可以被解释为多年生半植(MP分析中沿大多数系统发育主干保留的半植习惯所支持)。CDN的后代随后采取了两种不同的进化途径Notobubon(节点F)进化出恒生习性，同时保留多株生殖策略和多年生寿命，与最近的共同祖先Capnophyllum而且Dasispermum(节点D)经历了寿命缩短和体型减小，达到一年生单果植物。根据这种解释，革生植物至少独立进化了两次:在Nanobubon而在Notobubon(和，如果paraphyly ofNotobubon确认了，还在吗Notobubon pearsonii)．

毛茛科及其外群木材解剖的一般观察

所研究树种的详细木材解剖描述(附加文件)A3)，以及带有解剖测量的原始数据矩阵可在网上获得，而一般观察结果如下。

我们的解剖取样包括了广泛的物种:从短命的植生植物到长寿的显生植物(图2)。3.，4，5而且6)．在三种情况下(样本)Dasispermum perennans# 2231，纳米光子,Scaraboides manningii)，结果发现取样部分是根而不是茎(通过缺少茎典型的实质髓来识别;无花果。3 b而且4C).尽管如此，我们决定将它们纳入本研究，因为根中的形成层活动很可能与茎中的次生木质部的产生平行。因此，即使在根中观察到的木材特征不能对茎中的木材特征作出结论，它们也提供了所研究树种中是否存在二次生长或(几乎)完全失去二次生长的信息。

在所有研究样本中，形成层的活性都被观察到，无论它们的习惯或分类关系如何(图2)。3.，4，5而且6)．在h . sphondylium(无花果。3.A)，次生生长只是开始，而在其余的样品中，次生木质部呈完整的圆柱形。它的宽度从小于1毫米(例如，Afrosciadium platycarpum，Capnophyllum lutzeyeri；无花果。3.C)到几厘米(特别是在Notobubonspp。无花果。5；Capnophyllum macrocarpum；无花果。4A).在两个属中观察到束间区和束间区之间的区别Afrosciadium选择的种类Notobubon其特征是束间区血管较集中，或束间区完全没有血管。木质性状与木质(Nanobubon，Notobubon,外群-Pycnocycla；无花果。3.D, F)和草本种(剩余分类单元;无花果。3.a - c, E):两组均以木材为主要的弥散多孔，且导管以小簇和径向倍数组合，孤立导管的比例较低(这是植物中最不具特征和最常见的导管组合[52])。导管排列通常不明显或呈放射状，这是一种明显的幼年特征。在选定的较长寿的木质物种样本中(Notobubon，Nanobubon，Pycnocycla)，在离髓更远的地方观察到(模糊的)树突模式(图。3.D, F)。这种从模糊的或放射状图案到树状图案的变化很可能对应着幼木到成熟木的转变。导管间点蚀似乎(至少是微弱的)与背景组织类型有关:在轴向薄壁组织丰富的茎中，鳞状点蚀更常见，而在纤维较多的茎中，交替或过渡形式占主导地位。

背景组织由纤维或弥漫性薄壁组织组成。在大多数物种中，它完全是纤维的(无花果。5而且6)．在四个样本中(Afrosciadium magalismontanum，Cynorhiza迪比卡，Ducrosia flabellifolia的根样本Nanobubon地下室)，背景完全为薄壁质(图。3 b, E而且4D)在一个物种中(Dasispermum suffruticosum)，内侧为薄壁背景，外侧为纤维状(图2)。4E-F)。此外,在Semenovia lasiocarpa(无花果。4B)，背景是薄壁纤维斑块。背景组织的类型与习性并不严格对应:木本茎Notobubon，Nanobubon,Pycnocycla，大多数草本物种都有纤维背景。

轴向实质在草本植物中很难区分，在大多数情况下，它是稀疏的气管旁组织，很少也(几乎)以血管为中心。除了形成背景组织的弥漫性薄壁组织外，它从未非常丰富。有两种类型的射线:髓状射线普遍存在于大多数物种中，而形成层来源的射线很少，很难从背景中区分出来。在草本植物中，它们在少数情况下被清晰地观察到。

木本与草本类群生态位的比较

大多数代表Lefebvrea分支占据的生态位比非洲气候空间的平均值更凉爽，更不干燥:这在图中很好地看到。7，其中坐标系的起点(前两个主成分所跨越的平面上的点0,0)代表非洲气候平均值(年降水量为834毫米，AP，年平均温度为23.8°C, MAT)，而大多数类群都低于这个值(即主成分值为负)。

不同属之间的生态位相似，这可以从很大程度上的重叠得到证明(图中顶部面板)。7):对于大多数代表，AP范围约600-1300毫米，MAT在约15-19°C之间。与其他演化支明显不同的只有三个演化支Afroligusticum，Lefebvrea,Scaraboides(表1)．前两种有更广阔的生态位，倾向于潮湿和温暖的条件。的生态位Afroligusticum的平均AP特别明显(比其余代表高366-1313 mm)，而Lefebvrea通常生长在较温暖的地区(平均MAT比其他属高0.7-6.4°C;额外的文件A4)．另一方面，草本植物Scaraboides的平均AP相差208-1313毫米(最大的差异是Scaraboides而且Afroligusticum)，但其平均MAT与其他属的MAT大致相同(图。7，附加文件A4)．

这两个木本属之间几乎没有区别，Nanobubon而且Notobubon:他们的平均MAT几乎相同，平均AP仅略高Notobubon(长6-119毫米)。草本属对降水和温度的偏好也相似1)．

比较木质的(Nanobubon，Notobubon)和草本属(其余)只有在与前者比较时才会出现显著差异Afroligusticum而且Lefebvrea(木本类群所占位置较干燥，平均AP约40-800毫米，较冷，平均MAT约2-6°C)Scaraboides(生长在比木本属干燥393-682毫米的地方，但平均MAT范围相似)。另外，木本属和草本属的生态位是相似的。7)：Notobubon与草本同类相比，其平均AP相似或仅略高(≤141 mm)，平均MAT较低(约0.6-1.4°C)，Capnophyllum而且Dasispermum．得出了同样的结论Nanobubon与这两个演化支进行了比较。

一般来说，在相同的习惯类型内(例如，之间)观察到的气候差异更大Afrosciadium而且Capnophyllum；表格1)比草本和木质生命形式(例如，Capnophyllum而且Notobubon)．因此，我们没有发现证据表明木本属比其草本亲戚更偏爱占据明显干燥的栖息地。同时，AP和MAT为典型Lefebvrea枝冠组意味着避免极端温度和偏爱适度潮湿的地点。然而，这些偏好是由木质和草本的亲戚共享的。

木质和草本类群的气候偏好

总的来说，我们研究中的草本类群比它们的木质表亲拥有更广阔的生态位(图2)。7)，与在其他演化支中观察到的模式一致[53］．然而，这主要是三个明显不同于其他属的结果:Afroligusticum，Lefebvrea,Scaraboides(表1)．前两个类群的气候偏好——倾向于潮湿和温暖的环境(图2)。7) -反映了他们与大多数的Lefebvrea进化枝代表。与它们的近亲不同，它们大多局限于开普植物区[54]，这两个属横跨非洲南部至非洲之角，居于(亚)热带环境[36，37］．较低的平均MATAfroligusticum(特别是与Lefebvrea相似的地理分布)可能是由于本属生长在非洲山地草原和森林栖息地[37］．Afrosciadium地理分布是否相似Afroligusticum而且Lefebvrea，但其生态位与Cape Floristic Region的属(CFR;无花果。7)．这可能表明它更喜欢温和的气候，但它很可能是人为的Afrosciadium在我们的研究中，只有一个物种(答:magalismontanum源自南部非洲高原)18个同族中的一个[36］．

两个木本属的比较(Nanobubon而且Notobubon)表明它们的气候生态位非常相似(图;7)并与密切相关的草本植物共享Capnophyllum而且Dasispermum(表1)．因此，我们没有发现木质和草本类群有明显气候偏好的证据。与此相反，我们可以得出结论，Cape区所有研究的属都具有相似的适度湿润和凉爽的栖息地。

开普植物区系的森林

目前还不清楚这种恒生习性在地球上演化了多少次Lefebvrea进化枝(无花果。2)，但两个木本属的树冠年龄分别为8.49(10.87-6.22)和8.85 (11.3-6.42)My ago，即晚中新世。中新世早期和中期的湿润和温和气候在中新世中期气候最佳期(18-14年前)达到顶峰，而晚中新世经历了干旱化和高季节性的趋势[55随着西开普省冬雨的来临。同时，CFR内的大部分辐射可能发生在晚中新世或中新世/上新世边界附近(约5.3年前)，当时本格拉流的干燥效应和总体气候干燥化加剧[54，56］．由于干旱条件容易形成栓塞[22]，气候干燥的同时性和衍生木质的进化表明，至少在选定的CFR演化支中，大量木质部的沉积可能是作为一种平均的抵消空化的进化。所研究的属Nanobubon而且Notobubon符合这种情况。

有趣的是，其他阿片类部落的木质也可以追溯到晚中新世:来自马德拉岛的两种胡萝卜的树状习性起源于大约7.77(9.05-6.35)年前，而灌木状Billburttia来自马达加斯加和Deverra分别解析为9.0(10.87-7.14)和9.86(11.66-8.08)。42，43］．此外，加那利群岛各种植物科中80-90%的衍生木本分支都起源于过去7个世纪[57］．所有这些地区也经历了干旱化，进一步证明了衍生林地的进化与干旱之间的联系。

开普植物区系的草本性

人类最后的共同祖先的生命形式是什么还不清楚Capnophyllum，Dasispermum,Notobubon(图中节点C)。2):在ML分析中，chamaephyte获得了最多的支持，但考虑到树的主干主要由MP分解为半ryptopte，这种习惯也是可能的。无论是精确的重建，这两种方法都指向随后的寿命缩短和体型缩小，导致一年生植物作为最后的共同祖先Capnophyllum而且Dasispermum(图中节点D)2)．有趣的是，这种变化可能发生在(11.63 -)9.43-6.26(−4.92)之间的某个时间，即晚中新世全球干旱化时期。因此，似乎衍生出了木质和一年生的习性Lefebvrea来自CFR的分支可能已经进化为解决同样的古干旱问题的替代方案:尽管木本物种可以通过抗空化的身体来应对干旱，但草本类群将它们的生命周期限制在湿润的季节，从而完全避免了空化。这是最好的反映Capnophyllum而且Dasispermum物候学，它们在潮湿的冬天发芽，在干燥的仲夏枯萎死亡[47，58］．今天，近56%的CFR物种不是灌木就是乔木;其余多为地植物[54]，从而表明木质(无论其祖先或衍生性质)和草本习性同样适合CFR的周期性干燥条件。

还需要记住的是，CFR是极其多样化的，包括许多不同的植被类型:从ericoid fynbos，到以Asteraceae成员为主的renosterveld，干燥的半沙漠，到沿海平原和偶尔的森林[54，55，59］．因此，即使是木质和草本的成员Lefebvrea演化枝的年降水量(约600-1300毫米/年)和年平均温度(约15-19°C)的范围相对狭窄且经常重叠，这并不一定意味着它们栖息在相同的微生境中。然而，这需要更精细的分析，特别是基于文献对它们的栖息地进行粗略的比较，并不能得出明显的差异[38，45，46，47，58］．

南部非洲伞形植物的木材解剖

南部非洲有四个远亲的木质伞形植物谱系:(1)Polemanniopsis而且Steganotaenia(水螅亚科[60];有时被视为Apioideae中的Steganotaeniae族[36), (2)Anginon，神经胶质，Heteromorpha，Polemannia('Heteromorpha支系'，异形pheae, Apioideae亚科[40), (3)Nanobubon而且Notobubon(茄科，茄亚科;(4)单特异性Marlothiella从纳米比亚。此外，三种灌木状的种Deverra(apioae部落，Apioideae亚科)在这里发现，但本属主要分布于北非[43，44］．

由于木材的数量性状可能主要受植物高度的影响，因此我们在这里将重点放在质量性状上[61，62］．虽然有限数量的可用标本禁止牵强的比较，我们的结果表明Lefebvrea分支代表的木材与其他南部非洲血统相似，尽管只是远亲。这三个分支都有一组常见的木本类群(Apioideae亚科)和三叶类群(Saniculoideae亚科)的特征，比如只有简单的穿孔板和稀疏的气管旁轴向薄壁。生长环边界要么不存在(在草药中，例如，Afrosciadium(通常以边缘薄壁和纤维的径向变扁为标志)。木材通常是弥散多孔的，但在较长寿的树种中，次生木质部圆筒较宽(Nanobubon，Notobubon在本研究中;Anginon，Polemannia, Heteromorpha)，呈半环状孔隙性倾向。孤立的导管很少，导管群通常呈放射状或(模糊的)树枝状分布(后者尤其在木质部圆筒较宽的物种中)。导管间点蚀范围从鳞状到交替，在同一物种(和标本)中可以观察到多种类型。有趣的是，在本研究检查的物种中，在一些物种中观察到螺旋增厚Notobubon而且Stenosemis．这一特点也普遍存在于Heteromorpha'支[40但在与之密切相关的马达加斯加语中却没有和她［63］．与早期研究的谱系相反，我们观察到在Lefebvrea枝状木地面组织不仅由中等厚壁，通常非隔膜纤维组成，而且可以经历(至少部分)薄壁化。我们将在下一节讨论这个特性。

繁殖策略和地面组织

与Tordylieae的大多数其他木材特征不同，木材地面组织显示出广泛的变化，并有四种不同的形式。在一个极端，它完全是纤维性的(例如，Notobubon pearsonii；无花果。3.D)，另一方面，它完全由薄壁组织组成(例如，Cynorhiza迪比卡；无花果。4D)。此外，至少发现了两种不同的中间形式:带状(内部是实质组织，外部是纤维性地面组织，Dasispermum suffruticosum；无花果。4E)或斑块状(由薄壁组织和纤维簇组成的地面组织，Semenovia frigida；无花果。4B)。

在我们早期的研究中[42，43]在草本和衍生木本类群中，我们注意到，无论其茎结构如何，单果类群和节间较长的多果类群都具有完全纤维状的地面组织，而节间较短的多果类群(通常具有叶莲座)则具有薄壁组织地面组织。这很可能是对这种习惯放松的机械要求的反应[42，43］．换句话说，地面组织的薄壁化似乎与节间缩短有关，但这种影响可能被茎部或整株植物转移到开花期所抑制，这可能是受到赤霉素酸的影响[42，64，65，66］．由于单果植物通常比多果植物更早地经历个体发生的转变，它们的木材完全是纤维状的。

在本研究所考虑的木材解剖种中，有一种的繁殖策略(Dasispermum perennans)并不清楚。纤维性地面组织是最常见的类型:它出现在27个分类单元中(h . sphondylium具有非常有限的二次活性，根样本，并提到d . perennans被排除在外)。其中八个是单果性的(一个，Trigonosciadium viscidulum，节间长，其余节间短)。其余种是多果性和长节间，除Afrosciadium platycarpum，节间缩短。五个品种(Afrosciadium magalismontanum，Cynorhiza迪比卡，Dasispermum suffruticosum，Ducrosia flabellifolia，Semenovia lasiocarpa)有实质的木材:它们都是多果且节间缩短。虽然必须记住，我们的样本是稀缺的，而且通常是基于每个物种的一个样本，但观察到的模式与我们的假设很好地一致，支持木材实化、节间缩短和多果生殖策略之间的相互依赖。

所有被研究的陶艺科成员都表现出形成层活性，木质和草本类群的木材解剖结构相似。木质地面组织要么是纤维状的，要么至少是部分薄壁化的:后者通常在节间缩短的多果种中发现。因此，在这个支系中，衍生木质的进化既不受任何特定的定性木材特征的限制，也不受任何特定的定性木材特征的规定。

除了两个属(Afroligusticum，Lefebvrea)，分布于非洲南部至非洲之角，以及所有其他的“Lefebvrea演化枝拥有相似的气候生态位。这与它们在开普植物区共存相似。衍生的木质习性的起源可以追溯到晚中新世:一个明显的气候干旱化时期。在夏季严重干旱开始前死亡的短命的一年生植物大约在同一时间进化。这表明，这两种习性都是解决干旱引起的空化问题的替代方案:草本一年生植物通过调整生命周期的时间来完全避免空化，而木本类群则通过发展更抗栓塞的身体来抵御空化。

分子分析

我们选择了核糖体DNA内部转录间隔(nrDNA ITS)和质体这三种标记的94个分子序列rpoC1,rps16内含子。它们代表了53个物种:8种Cymbocarpum枝，茄科7种，属35种Lefebvrea分支和三个外群。31条新获得的序列，其余从GenBank中检索。为了获得新的序列，我们遵循了我们早期论文中详细描述的标准程序[43］．所有新生成的序列都保存在GenBank(附加文件A1)．

接下来，我们调整了前面描述的分析工作流[43］．简而言之，我们使用MAFFT 7.271中实现的E-INS-i算法对序列进行对齐[67]，人工修剪的引物和部分外显子序列位于Mesquite 3.51非编码区两侧[68]，并使用trimAl 1.2中实现的' automated1 '算法删除了模糊对齐位置[69］．Concaterpillar 1.7.2标记的层次聚类[70]导致所有三个分子标记的串联，因此我们没有检测到这些数据集之间的任何拓扑差异;因此，在随后的分析中使用了一个级联矩阵(分子序列的数据矩阵可在线获取)。

系统发育推断和节点校准

系统发育推理在两种框架下进行:最大似然范式和贝叶斯推理。在这两种情况下，我们都从使用PartitionFinder2[中实现的BIC度量开始。71]来选择最优的分配方案和核苷酸取代模型。两种方法都将序列划分为ITS和pDNA。在RAxML中实现的ML中，GTR + G模型被分配给两个分区;在BI中，与MrBayes中实现的一样，允许在模型设置中具有更大的灵活性，ITS选择SYM + G, pDNA选择GTR + G。ML系统发育估计在RAxML 8.2.4中进行[72基于1000个快速自举重复估计分支支持(ML系统发育树在线可用;额外的文件A2)．

在MrBayes 3.2.6中，系统发育的BI与节点校准同时进行[73］．我们使用了来自Apioideae亚科早期研究的三个后验概率为1.0的二次校准点[74］．对于这些节点的每个节点，基于该研究中使用treeStat 1.10.0[的10800棵系统发育树样本评估后验年龄分布。75］．由于正态分位数-分位数图所评估的后验分布与正态分布没有显著的偏差，因此校准点被定义为具有基于各自后验样本计算的均值和标准差的正态分布。所选节点被定义为(A)的最后一个公共祖先p .漂白亚麻纤维卷而且Zosima胶(平均年龄13.52 Mya，标准差1.41);(B)Ducrosia assadii而且Cymbocarpum wiedemanii(9.86 Mya±1.64);(C)Dasispermum hispidum而且Capnophyllum macrocarpum(5.41 Mya±1.03);(无花果。1)．我们指定分支长度的先验概率分布为均匀分布，并使用自相关对数正态分布时钟模型(' tk02 ')。最后，我们对树的基替换率应用一个相对非信息性的先验假设(均值= 1，标准差= 5的正态分布)，并在跨度为30-10 My ago的根年龄上设置非信息性的均匀先验概率分布[74］．我们在两次同时运行中进行了分析，每次运行100,000,000代，每1000代采样一次，在计算汇总统计数据之前，25%的初始样本被丢弃作为老化。结果总结在50%主要规则共识树中。用于执行贝叶斯系统发育估计和节点校准的命令可以在线获得。

角色状态演变

我们编制了繁殖策略的数据矩阵(A，单胎;B，多果)，寿命(A，一年;B,两年一次;C，多年生植物)和生命形式(A，植物;B,地面芽植物;C,地表植物;D, phanerophyte)，为根据文献进行系统发育估计的所有类群[36，37，45，46，47，58]，植物标本室标本和个人观察(数据矩阵可在线获取，附加文件A1)．然后，我们用两种方法重建了这些特征的祖先状态:最大简约和最大似然。对于MP，我们采用了“系统发育推断和节点校准”部分中描述的程序中的50%多数规则共识树，并在Mesquite [68］．我们在繁殖策略和生命形式上选择了无序(Fitch)简约，在寿命上选择了有序(Wagner)简约。42，43］．

ML重建采用BayesTraits 3.0.2中实现的MultiState方法[76］．它允许在多个系统发生树的预定义节点上重建一个离散的特征，从而适应系统发生的拓扑不确定性。该软件还接受了适应状态不确定性和性状不稳定性的多态状态。为了重建祖先状态，我们从系统发生的BI中保存了所有的系统发生树，并使用Tracer 1.7.1 [77来评估何时达到静止状态。在此基础上，我们丢弃了10%的初始样本，留下18万棵系统发育树。我们随后将它们用于贝叶斯海峡的祖先国家重建。

我们用AddTag和AddNode命令定义了感兴趣的节点。在生命周期的情况下，我们限制了年度和常年特征状态之间直接过渡的可能性，反映了早期分析中应用的有序简约假设。我们通过使用R中的秩函数计算给定节点中给定状态在18万棵系统发育树中以最大似然解算的次数，并通过使用R中的ggplot包中的geom_linerange和geom_point函数绘制给定节点中所有状态的95%最高后验密度区间，总结了结果[78］．

虽然MP结果的解释很简单，但ML的结果将受益于额外的注释。当用ML重建给定节点中的一个特征时，结果以每个状态的相对似然值的形式出现(例如，状态a为0.7，状态B为0.3)。在多个树的迭代重建的情况下，每个状态接收到多个相对似然值(它们不同，因为每棵树的拓扑和/或分支长度略有不同，影响重构)。为了总结这些结果，我们可以简单地计算一个给定状态比另一个状态被选中的次数(即，一个给定状态“赢”的次数)。然而，即使在给定的节点上，相同的状态被重建100%次，其相对似然可能也只比其他状态的似然高最低限度(例如，状态a为0.51，状态B为0.49)。换句话说，获胜的数量并不能提供关于胜利强度的任何信息。因此，在解释我们的结果时，我们注意了中奖的数量(在图的第二个板块中总结为百分比值)。2)和95%最高后验密度区间(如图所示)。2)．

木材解剖分析

我们考虑了49个标本所代表的39个物种的木材解剖特征。样品来自植物标本馆馆藏(JRAU, NBG;首字母缩写紧跟[79])，但h . sphondylium# 2059,p .漂白亚麻纤维卷#2056从野外收集，并由Łukasz Banasiak识别(不需要收集权限)。所有样本的凭证数据均可在线获取(附加文件A1)．我们的抽样主要集中在Lefebvrea分枝(29种，37个标本)，但也包括其他Tordylieae(7种，7个标本)和木质外类群(Pycnocycla，棘虫科:3种，5个标本)。木材样本取自活标本的主茎或粗侧枝的基部，或保存下来的植物标本室标本中最粗(通常是最基部)的部分。新鲜的材料立即储存在70%的乙醇中。

样品按照别处所述的标准程序进行切片和染色[42］．使用光学显微镜检查木材解剖特征，并尽可能按照国际木材解剖学家协会的显微特征清单进行木材描述，以鉴定硬木[52］．尽管要正确地评估数量特征，但应该记住，在二次生长非常有限的样品中测量某些特征可能是棘手的:例如，获得正确估计每毫米射线数所需的直切纵断面可能是不可能的，并且评估每平方英尺的血管数量。由于幼木中血管的聚集分布，Mm可能有偏差。此外，在草本物种中，通常很难区分非常窄的血管和较宽的纤维-在其他支系中也观察到这个问题[80]，因此切向血管直径可能在某种程度上被低估了。浸渍后测量管状元件的长度，如[81］．

生态位估算

我们决定在一般水平上进行生态位估计。这是由以下几个原因决定的:(1)在现有数据库中观察到的物种分布代表了它们已实现的生态位，这些生态位受到许多因素的影响，而这些因素在本研究中没有涉及(如人类活动、采样偏差);(2)如果同源生物至少具有中等的生态位保守性，则将其聚合并在属类水平上估计生态位将更接近基本生态位而不是实际生态位。最后，(3)特定物种可用的高质量发生点数量较少，导致物种水平上的估计不可靠。

所有分析数据均来自四对坐标所定义的空间范围(20.0 N 0.0E;20.0 n 50. e;35.0S 0.0E, 35.0S 50. e)覆盖整个区域，其中Lefebvrea演化枝成员自然出现。对于系统发育分析中所包含的物种，我们仅从GBIF中检索了不确定半径≤50 km的样本[75］．使用occ_search命令从R包rgbif [77］．接下来，我们删除了SANBI Plants of southern Africa数据库中镜像的重复记录，该数据库是使用在线工具独立访问的[76］．在随后的分析中，每个样本事件都由不确定性半径内随机选择的单个点表示。然后，我们以2.5弧分空间分辨率从WorldClim 2.1数据库中检索了生物气候变量[78]并对这些变量进行主成分分析(PCA)，以适应原始变量之间的强相关性，因为其中一些变量是基于其他变量计算的。从R的光栅包中使用rasterPCA命令执行PCA。79］．两个第一主成分(PC)分别解释总方差的44.9%和28.3%。第一主成分(PC1)与气温的季节性和振幅呈正相关，与等温性和年降水量(AP)呈负相关。第二主成分(PC2)与年平均气温(MAT;主成分分析结果可在线查询)。

其次，采用二维核密度估计方法估算各属的生态位，其中一个维表示第一主成分(PC1)，另一个维表示第二主成分(PC2)。这是用MASS包完成的，用R中的ggplot2包进行可视化。71，80］．我们还计算了每个属对间PC1和PC2均值差的95%联合置信区间。采用Tukey-Kramer手术的推广版T3手术进行[81]使用DTK。DTK包中的test命令[82］．最后，为了便于解释，我们将PC1和PC2反投影到生物气候空间的年降水量(AP)和年平均温度(MAT)维度上。AP和MAT构成了气候的两个主要描述符，在我们的分析中与前两个主成分有很强的相关性。显示所有属之间比较的图表可在网上获得(附加文件A4)．

在当前研究期间生成和分析的数据集可在FigShare存储库中获得，DOI:https://doi.org/10.6084/m9.figshare.13026935包括:(1)修剪前后的分子序列矩阵，(2)用于系统发育BI的命令文件，节点校准，(3)复制BI所需的分子矩阵，(4)来自贝叶斯分析的50%多数规则共识树，(5)生殖策略、寿命和生命形态状态的矩阵，(6)主成分分析结果，(7)木材性状定量测量矩阵。

记者:

年降水量

BI:

贝叶斯推理

BS:

引导支持

CDN:

演化支Capnophyllum，Dasispermum(包括Scaraboides),Notobubon(不含n pearsonii）

CFR:

开普植物区系

HPD:

最高后验密度

垫:

年平均气温

密度:

马尔科夫链蒙特卡洛

ML:

最大似然

议员:

最大的吝啬

PC:

主成分

主成分分析:

主成分分析

pDNA:

质体DNA

页:

后验概率

拉尔夫-舒马赫:

径向部分

TLS:

切向纵剖面

TS:

横截面

这项工作主要由波兰国家科学中心资助。2015/19/B/NZ8/00163至K.S.)，华沙大学综合发展计划(ZIP)也提供了小额资金支持，该计划由欧洲社会基金(业务计划知识教育发展2014-2020，路径3.5至K.F.)、俄罗斯科学院科马罗夫植物研究所(机构研究项目编号:AAAA-А19-119030190018-1至A.O.)，以及俄罗斯基础研究基金会(批准编号:;19-04-00714至A.O.)。

从属关系

1. 华沙大学生物学院进化生物学研究所，生物和化学研究中心，Żwirki i Wigury 101, 02-089，华沙，波兰

   Kamil E. Frankiewicz， Łukasz Banasiak, Mohammad Alsarraf & Krzysztof Spalik

2. 约翰内斯堡大学植物学和植物生物技术系，约翰内斯堡奥克兰公园524号信箱，南非，2006年

   阿列克谢·a·奥斯科尔斯基和安东尼·r·马吉

3. Komarov植物研究所，Popov教授2,197376，圣彼得堡，俄罗斯

   阿列克谢·奥斯科尔斯基

4. 康普顿标本馆，南非国家生物多样性研究所，科斯坦博斯研究中心，开普敦罗德路，7700，南非

   安东尼·r·马吉

5. 尼古拉·哥白尼大学生物和兽医科学学院，波兰托鲁尼斯Lwowska 1,87 -100

   Paulina Trzeciak

相应的作者

对应到Kamil E. Frankiewicz．

伦理批准并同意参与

不适用。

发表同意书

不适用。

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