DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-44784-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38253644
تاريخ النشر: 2024-01-22
المؤلف: David Peris وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات النباتات والحيوانات
نظرة عامة
تبحث الدراسة في دور النباتات الزهرية في تنوع الحشرات، وخاصة الملقحات، باستخدام نهج قائم على العمليات البايزية لتحليل سجلات الحفريات على مستوى العائلة. تشير النتائج إلى أن النباتات الزهرية كان لها تأثير مزدوج على ماكروتطور الحشرات: حيث خففت من معدلات الانقراض خلال فترة الطباشيري وعززت معدلات النشوء في العصر الحديث، خاصة بين عائلات الحشرات الملقحة. ومن الجدير بالذكر أنه بينما كانت الحشرات تقوم بتلقيح النباتات العارية قبل انتشار النباتات الزهرية، فإن ظهور سلالات جديدة من الملقحات تزامن مع زيادة تنوع النباتات الزهرية، وخاصة بعد 50 مليون سنة مضت (Ma).
تسلط الدراسة الضوء أيضًا على التفاعل المعقد بين العوامل المختلفة التي تؤثر على تنوع الحشرات، بما في ذلك تغيرات درجة الحرارة العالمية، وزيادة تنوع الحشرات، ووجود النباتات المبوغة. تُعتبر النباتات الزهرية، التي تشكل حوالي 90% من الأنواع النباتية الأرضية اليوم، قوة تحويلية في تاريخ الأرض، ولا تزال أصولها وانتشارها اللاحق موضوعًا للبحث المستمر. تشير سجلات الحفريات إلى أن التنوع الكبير للنباتات الزهرية حدث خلال أحداث جيولوجية كبيرة في العصر الطباشيري، بينما يسبق انتشار سلالات الحشرات الحديثة هذا الحدث، مما يشير إلى علاقة تطورية طويلة الأمد بين هذه المجموعات.
الطرق
تحدد قسم “الطرق” الأساليب التجريبية والتحليلية المستخدمة في الدراسة. استخدم الباحثون مجموعة من التقنيات الكمية والنوعية لجمع البيانات، مما يضمن فهمًا شاملاً للظواهر قيد التحقيق. شملت المنهجيات المحددة تجارب محكومة، وتحليل إحصائي، ونمذجة، والتي تم تصميمها لاختبار الفرضيات التي تم صياغتها في الدراسة.
شمل جمع البيانات أخذ عينات منهجية واستخدام أدوات موحدة لقياس المتغيرات ذات الصلة. تم إجراء التحليل باستخدام برامج إحصائية متقدمة، مما سمح بتطبيق اختبارات مختلفة لتحديد أهمية النتائج. يبرز القسم صرامة وقابلية إعادة إنتاج الطرق، مشددًا على ملاءمتها لمعالجة الأسئلة البحثية المطروحة. بشكل عام، أسست الإطار المنهجي قاعدة صلبة للنتائج والاستنتاجات اللاحقة التي تم التوصل إليها في الدراسة.
النتائج
في هذا القسم، يبحث المؤلفون في الديناميات الزمنية لمعدلات نشوء الحشرات والانقراض وعلاقتها المحتملة مع انتشار النباتات الزهرية باستخدام نهج قائم على العمليات البايزية تم تنفيذه في PyRate. يكشف التحليل، المستند إلى مجموعة بيانات حفريات على مستوى العائلة، عن زيادة كبيرة في تنوع عائلات الحشرات خلال العصور الطباشيرية والحديثة، بما يتماشى مع النتائج السابقة. تبرز الدراسة أن النباتات الزهرية من المحتمل أن تكون قد سهلت تنوع الحشرات بشكل أسرع بعد الطباشيري، كما يتضح من الارتباطات الإيجابية القوية مع معدلات النشوء ($\omega_\lambda = 0.576$, $G_\lambda = 0.823$) والارتباطات السلبية مع معدلات الانقراض ($\omega_\mu = 0.802$, $G_\mu = -1.799$).
تشير التحليلات الإضافية التي تركز على فترة ثورة النباتات الزهرية الأرضية (ATR) (100 إلى 50 Ma) إلى انخفاض ملحوظ في معدلات انقراض الحشرات ($\omega_\mu = 0.95$, $G_\mu \text{ ATR} = -4.555$) دون التأثير على معدلات النشوء. في المقابل، تُظهر فترة ما بعد ATR (من 50 Ma حتى الآن) زيادة في معدلات النشوء ($\omega_\lambda = 0.645$, $G_\lambda \text{ post-ATR} = 1.052$) مع انخفاض في معدلات الانقراض ($\omega_\mu = 0.797$, $G_\mu \text{ post-ATR} = -1.791$). تشير النتائج إلى أن النباتات الزهرية لعبت دورًا مزدوجًا في تنوع الحشرات، حيث كانت في البداية تعمل كحاجز ضد الانقراض ثم دفعت نحو النشوء، خاصة في العصر الحديث. يكشف تحليل الحشرات الملقحة عن اتجاهات مماثلة، حيث تعزز النباتات الزهرية كلاً من النشوء وتقليل معدلات الانقراض خلال فترات ATR وما بعد ATR، مما يبرز دورها الحاسم في التاريخ التطوري للملقحات الحشرية.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون العلاقة المعقدة بين تنوع الحشرات وانتشار النباتات الزهرية، مشددين على دور العوامل البيئية والبيولوجية المختلفة. تكشف تحليلاتهم أنه بينما أثرت النباتات الزهرية بشكل كبير على تنوع الحشرات خلال فترة انتقال النباتات الزهرية (ATR) (50 Ma حتى الآن)، لعبت عوامل أخرى أيضًا أدوارًا حاسمة. على وجه التحديد، وجدوا أن درجة الحرارة العالمية ترتبط سلبًا بمعدلات النشوء وإيجابيًا بمعدلات الانقراض عبر جميع أوامر الحشرات، مما يشير إلى أن المناخات الأكثر دفئًا تؤثر سلبًا على تنوع الحشرات. بالإضافة إلى ذلك، تبرز الدراسة أهمية تنوع النباتات المبوغة، التي ارتبطت إيجابيًا بمعدلات نشوء وانقراض الحشرات، وتقترح أن تنوع النباتات العارية، على الرغم من عدم كونه دافعًا كبيرًا لتنوع الحشرات بشكل عام، كان مهمًا للعائلات الملقحة.
يجادل المؤلفون ضد تبسيط العلاقة بين النباتات الزهرية والملقحات كعملية تطورية خطية، مشيرين إلى أن ملقحات النباتات العارية كانت موجودة على الأرجح قبل ظهور النباتات الزهرية. يقترحون أن التفاعلات المتبادلة بين النباتات المزهرة والملقحات أصبحت أكثر وضوحًا بعد حدود K/Pg، مما أدى إلى زيادة كبيرة في كل من تنوع النباتات الزهرية والحشرات. تؤكد النتائج على تعقيد هذه التفاعلات والحاجة إلى مزيد من التحقيق في العوامل المختلفة التي تؤثر على تنوع الحشرات، بما في ذلك آثار تغير المناخ والتفاعلات البيئية، لفهم الديناميات التطورية بشكل كامل.
القيود
تقدم الدراسة حول تنوع الحشرات من خلال الاستدلالات البايزية من سجل الحفريات عدة قيود قد تؤثر على تفسير نتائجها. واحدة من التحديات الكبيرة هي صعوبة تحديد سلالات الملقحات فقط من الأدلة الحفرية، مما قد يؤدي إلى تمثيل ناقص لبعض مجموعات الحشرات في سجل الحفريات بسبب التحيزات البيولوجية والتافونومية. تعقد هذه القيود فهم أنماط التنوع التاريخية، خاصة بالنسبة لمجموعات مثل Lepidoptera. على الرغم من أن نموذج PyRate المستخدم في الدراسة يمكن أن يقدر ديناميات التنوع على الرغم من أخذ عينات غير مكتملة، فإن التباين والفجوات الكامنة في سجل الحفريات تتطلب تفسيرًا حذرًا لمعدلات التنوع.
بالإضافة إلى ذلك، قد لا تعكس الافتراضات الأساسية لنموذج PyRate، الذي يفترض معدلات تنوع متجانسة عبر الفصائل مع تباين زمني، تعقيدات العمليات التطورية الحقيقية بشكل كامل. تعترف الدراسة بأن معدلات التنوع يمكن أن تختلف عبر الأشجار التطورية والزمن، مما قد يؤثر على النتائج. علاوة على ذلك، فإن اختيار المستويات التصنيفية لتحليل التنوع المشترك بين الحشرات والنباتات يقدم طبقة أخرى من التعقيد. بينما تم اختيار مستوى العائلة لصلابته في عكس الإشارات التطورية، فإن الفجوة في الدقة التصنيفية بين الحشرات والنباتات قد تؤثر على دقة التحليلات المقارنة. أخيرًا، فإن استنتاجات الدراسة بشأن تأثير النباتات الزهرية على تنوع الحشرات تعتمد على اختيار المتغيرات البيئية، مما يشير إلى أن عوامل محتملة أخرى قد تستدعي مزيدًا من التحقيق.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-44784-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38253644
Publication Date: 2024-01-22
Author(s): David Peris et al.
Primary Topic: Plant and animal studies
Overview
The research investigates the role of angiosperms in the diversification of insects, particularly pollinators, using a Bayesian process-based approach to analyze family-level fossil records. The findings indicate that angiosperms had a dual influence on insect macroevolution: they mitigated extinction rates during the Cretaceous period and promoted origination rates in the Cenozoic era, especially among insect pollinator families. Notably, while insects were pollinating gymnosperms prior to the angiosperm radiation, a significant emergence of new pollinator lineages coincided with the rise of angiosperm diversity, particularly after 50 million years ago (Ma).
The study also highlights the complex interplay of various factors influencing insect diversification, including global temperature changes, increases in insect diversity, and the presence of spore plants. Angiosperms, which constitute approximately 90% of terrestrial plant species today, are recognized as a transformative force in Earth’s history, with their origins and subsequent radiation still subject to ongoing research. The fossil record suggests that major angiosperm diversification occurred during significant geological events in the Cretaceous, while the major radiation of modern insect lineages predates this event, indicating a long-standing evolutionary relationship between these groups.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental and analytical approaches employed in the study. The researchers utilized a combination of quantitative and qualitative techniques to gather data, ensuring a comprehensive understanding of the phenomena under investigation. Specific methodologies included controlled experiments, statistical analysis, and modeling, which were designed to test the hypotheses formulated in the study.
Data collection involved systematic sampling and the use of standardized instruments to measure relevant variables. The analysis was conducted using advanced statistical software, allowing for the application of various tests to determine the significance of the findings. The section emphasizes the rigor and reproducibility of the methods, highlighting their appropriateness for addressing the research questions posed. Overall, the methodological framework established a solid foundation for the subsequent results and conclusions drawn in the study.
Results
In this section, the authors investigate the temporal dynamics of insect origination and extinction rates and their potential correlation with the radiation of angiosperms using a Bayesian process-based approach implemented in PyRate. The analysis, based on a family-level fossil dataset, reveals a significant increase in insect family diversity during the Cretaceous and Cenozoic eras, consistent with previous findings. The study highlights that angiosperms likely facilitated faster diversification of insects post-Cretaceous, evidenced by strong positive correlations with origination rates ($\omega_\lambda = 0.576$, $G_\lambda = 0.823$) and negative correlations with extinction rates ($\omega_\mu = 0.802$, $G_\mu = -1.799$).
Further analyses focusing on the Angiosperm Terrestrial Revolution (ATR) period (100 to 50 Ma) indicate a marked reduction in insect extinction rates ($\omega_\mu = 0.95$, $G_\mu \text{ ATR} = -4.555$) without affecting origination rates. In contrast, the post-ATR period (from 50 Ma to present) shows increased origination rates ($\omega_\lambda = 0.645$, $G_\lambda \text{ post-ATR} = 1.052$) alongside decreased extinction rates ($\omega_\mu = 0.797$, $G_\mu \text{ post-ATR} = -1.791$). The findings suggest that angiosperms played a dual role in insect diversification, initially buffering against extinction and later driving origination, particularly in the Cenozoic. The analysis of pollinator insects reveals similar trends, with angiosperms promoting both origination and reducing extinction rates during the ATR and post-ATR periods, underscoring their critical role in the evolutionary history of insect pollinators.
Discussion
In this section, the authors discuss the intricate relationship between insect diversification and angiosperm radiation, emphasizing the role of various environmental and biotic factors. Their analyses reveal that while angiosperms significantly influenced insect diversification during the post-Angiosperm Transition Radiation (ATR) period (50 Ma to present), other factors also played crucial roles. Specifically, they found that global temperature negatively correlated with origination rates and positively with extinction rates across all insect orders, indicating that warmer climates adversely affected insect diversity. Additionally, the study highlights the importance of spore plant diversity, which positively correlated with insect origination and extinction rates, and suggests that gymnosperm diversity, while not a significant driver for general insect diversification, was important for pollinating families.
The authors argue against oversimplifying the angiosperm-pollinator relationship as a linear coevolutionary process, noting that gymnosperm pollinators likely existed prior to the rise of angiosperms. They propose that the mutualistic interactions between flowering plants and pollinators became more pronounced after the K/Pg boundary, leading to a significant increase in both angiosperm and insect diversity. The findings underscore the complexity of these interactions and the need for further investigation into the various drivers of insect diversification, including the effects of climate change and ecological interactions, to fully understand the evolutionary dynamics at play.
Limitations
The study on insect diversification through Bayesian inferences of the fossil record presents several limitations that may affect the interpretation of its findings. One significant challenge is the difficulty in identifying pollinator lineages solely from fossil evidence, which may lead to an underrepresentation of certain insect groups in the fossil record due to biological and taphonomic biases. This limitation complicates the understanding of historical diversification patterns, particularly for groups like Lepidoptera. Although the PyRate model employed in the study can estimate diversification dynamics despite incomplete taxon sampling, the inherent variability and incompleteness of the fossil record necessitate cautious interpretation of diversification rates.
Additionally, the assumptions underlying the PyRate model, which posits homogeneous diversification rates across clades with temporal variation, may not fully capture the complexities of real evolutionary processes. The study acknowledges that diversification rates can vary across phylogenies and time, which may influence the results. Furthermore, the choice of taxonomic levels for analyzing co-diversification between insects and plants introduces another layer of complexity. While the family level was selected for its robustness in reflecting evolutionary signals, the disparity in taxonomic resolution between insects and plants could affect the accuracy of comparative analyses. Lastly, the study’s conclusions regarding the influence of angiosperms on insect diversification are contingent upon the selection of environmental variables, suggesting that other potential drivers may warrant further investigation.