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在生物多样性研究中，物种丰富度与平均分布范围大小（mean range-size）的关系机制复杂。研究人员分析东北西伯利亚和阿拉斯加七湖的沉积古 DNA（sedaDNA），发现二者关系在冰期为正、间冰期为负，且主要受植物相互作用驱动，为植物保护提供了重要依据。
在广袤的自然界中，物种丰富度与分布范围之间的关系一直是生态学家们关注的焦点。从空间上看，各类生物类群普遍呈现出物种丰富度与平均分布范围大小呈负相关的关系。然而，这一关系背后的机制却如同迷雾一般，复杂而难以捉摸，极大地限制了其在生物保护和物种分布预测等实际应用中的价值。而且，目前人们并不清楚这种空间上的关系在时间维度上是否同样成立，也不知道在全球变化导致物种丰富度下降的背景下，平均分布范围大小会如何变化，反之亦然。在这样的重重疑问之下，探索物种丰富度与分布范围之间的关系显得尤为迫切。
为了揭开这些谜团，来自 Alfred Wegener Institute Helmholtz Centre for Polar and Marine Research 等机构的研究人员，将目光聚焦在东北西伯利亚和阿拉斯加地区。该地区由于极地放大效应，在千年时间尺度上经历了强烈的温度变化，同时生态系统也发生了显著转变，并且这里还保存了高质量的湖泊沉积档案，为研究提供了绝佳的样本。研究人员对该地区七个湖泊的沉积古 DNA 进行分析，试图探索植物丰富度与平均分布范围大小在时间维度上的关系，以及植物物种形成、环境异质性和植物相互作用在其中所扮演的角色。
研究人员在此次研究中，主要运用了以下几种关键技术方法：首先是基于沉积物古 DNA（sedaDNA）分析技术，通过对湖泊沉积物中提取的古 DNA 进行分析，能够识别过去植物的种类，从而重建过去植物的丰富度和分布变化；其次运用了多种计算模型和分析方法，如通过构建贝叶斯年龄深度模型确定样本年代，使用 OBITools 软件对序列进行分类学分配等；还采用了网络分析方法，通过计算植物类群之间的相关性，构建网络来揭示植物之间的相互作用关系。
植物丰富度与分布范围关系的变化趋势
研究人员对七个湖泊的沉积物样本进行分析，这些样本大多涵盖了过去 30,000 年的历史，时间分辨率达到千年尺度。通过对 sedDNA 的分析，计算出不同时间段的植物丰富度和平均分布范围大小。结果发现，在现代时间切片中，该地区植物分类群丰富度与分布范围大小呈现出显著的负相关关系，这与全球其他地区在不同空间尺度上的研究结果一致。但当把时间拉长到 30,000 年的时间序列时，情况发生了变化：在冰期（30 - 11 ka），植物丰富度与分布范围大小呈现正相关关系；而在全新世（11 - 0 ka），二者则变为负相关关系，只有 13 - 9 ka 时间段的相关性不显著，可能是由于该时期处于冰期和全新世的过渡阶段，信号相互重叠所致。
影响过去丰富度与分布范围关系的潜在因素
研究人员对影响植物丰富度与分布范围关系的潜在因素进行了深入探讨。首先，关于物种形成和灭绝的假说，研究人员认为虽然全新世温度升高可能会促进物种形成，但本研究的时间跨度相对较短，不足以积累足够的突变来形成新物种，而且通过使用 100% 匹配 “SibAla_2023” 数据库的分类群，已经排除了灭绝的影响，所以物种形成和灭绝并非是千年时间尺度上影响二者关系的主要驱动因素。其次，对于环境异质性假说，研究人员通过计算植物群落的 β 多样性作为环境异质性的代理指标，发现晚海洋同位素阶段 3（30 - 24 ka）环境异质性较低，而此时区域尺度上的植物丰富度也相对较低；全新世早期环境异质性较高，但此时的植物分布范围大小并非最小，这表明环境异质性也不能解释整个研究时期内植物丰富度与分布范围大小的关系变化。最后，研究人员重点研究了植物相互作用对二者关系的影响。他们构建了两个广义线性模型，以垫状植物和树木的相对丰度作为环境中正负相互作用的代理变量。结果发现，随着区域内树木丰度的增加，植物丰富度与分布范围大小的斜率从正变为负；而垫状植物丰度的增加则与更积极的植物丰富度与分布范围大小关系相关。通过网络分析进一步发现，冰期的植物网络中包含更多的正相互作用链接，而全新世的网络中负相互作用相对较多，这表明植物相互作用在不同时期对植物丰富度与分布范围大小的关系产生了重要影响。
结论与讨论
综合上述研究结果，研究人员得出结论：植物丰富度与分布范围大小的关系在冰期到间冰期发生了方向性的转变，从正相关变为负相关。而且，物种形成和环境异质性都不是塑造这一关系的主要驱动因素，植物相互作用才是关键所在。在冰期，环境较为恶劣，植物之间的正相互作用更为普遍，这种相互作用有助于扩大植物的分布范围，从而使得植物丰富度与分布范围大小呈现正相关关系；而在全新世，环境条件相对较好，植物之间的竞争等负相互作用增强，限制了植物的分布范围，导致二者呈现负相关关系。
这项研究具有重要的意义。它首次揭示了植物丰富度与分布范围大小关系在时间维度上的变化规律以及植物相互作用的关键作用，为理解生物多样性的演变提供了新的视角。在植物保护方面，研究结果提示我们，应重点关注远北苔原地区的生物多样性保护。因为在气候变化的背景下，亚北极地区树木和灌木的扩张会引入更多的负相互作用，限制苔原植物的分布范围，不利于其保护；而在环境恶劣的远北苔原地区，正相互作用有助于扩大植物的分布范围，增强对苔原植物的保护，不过也要警惕外来物种的入侵。同时，该研究也为后续进一步研究生物多样性与生态系统功能的关系奠定了基础，为相关领域的研究提供了重要的参考依据。未来，研究人员可以在此基础上，运用更复杂的模型，如个体模型、多物种模型或物种分布模型等，进一步深入探讨植物丰富度与分布范围大小关系的内在机制，以及如何更好地保护生物多样性。
