提示されたプロトコルは、デジタル葉の人相と面積あたりの葉の質量の再構築方法を使用して古気候と古生態学を再構築するために、化石の葉の連続的な葉の生理学的形質のデジタル測定と分析を示しています。
気候と環境は、植物の葉のサイズ、形状、歯の開き具合(人相)に強く影響します。これらの関係、特に木質の非単子葉植物の被子植物では、地球の歴史の過去~1億2000万年にわたる古代の陸生生態系の再構築に適用された古気候と古生態学の葉ベースのプロキシを開発するために使用されてきました。さらに、これらの関係が生きている植物で文書化されていることを考えると、植物の進化の側面や、植物が気候や環境の変化にどのように反応するかを理解するために重要です。現生植物と化石植物についてこの種の分析を行うには、再現可能な方法論を用いて葉の人相を正確に測定する必要があります。このプロトコルは、現代の葉と化石の葉のさまざまな葉の生理学的変数を測定および分析するためのコンピューターベースの方法を説明しています。この方法では、葉の生理学的形質、特に古気候を再構築するためのデジタル葉の人相学プロキシで使用される葉の鋸歯状、葉の面積、葉の解剖、および線形性に関連する変数、および古生態学的なプロキシである面積あたりの葉の質量を再構築するために使用される葉柄の幅と葉の面積の測定が可能になります。このデジタル葉形質測定法は、化石植物や現生植物に適用できるため、古気候の再構築や古生態学に関連するアプリケーションに限定されません。また、葉の形態の機能、葉の発達、葉の形質の系統関係、および植物の進化を理解するのに役立つ可能性のある葉の形質を探索するためにも使用できます。
葉は、植物とその周辺環境との間のエネルギー(光、熱など)と物質(二酸化炭素、水蒸気など)の交換を容易にする基本的な生産単位である1,2。これらの機能を果たすためには、葉は静止した風の強い空気の中で、自重を重力に対して機械的に支えなければならない3,4。これらの固有の関連性により、葉のサイズ、形状、歯の開き方(人相学)のいくつかの側面は、葉の機能と生体力学の詳細を反映し、それらの環境と生態学への洞察を提供します。先行研究は、現代世界全体の葉の人相学、気候、および生態学の間の関係を定量化して、化石の葉の群集に適用できるプロキシを確立しました5,6。これらのプロキシは、古気候と古生態学を再構築する重要な機会を提供し、その歴史を通じて地球のさまざまなシステム間の複雑な相互作用をより深く理解することに貢献します。この記事では、1)古生態学を解明するための面積あたりの葉の質量の再構築方法と、2)古気候を再構築するためのデジタル葉の人相学の2つのプロキシを使用するために必要な方法について詳しく説明します。
面積あたりの葉の乾燥質量(MA)は、新植物学と古植物学の両方で頻繁に測定される植物形質です。MAの主な価値は、特に化石の再構築において、葉の光合成速度、葉の寿命、および質量7による葉の栄養素含有量を含む、よく相関する葉形質の協調軸である葉の経済スペクトルの一部であることです。化石から MAを再構築する能力は、他の方法ではアクセスできないこれらの代謝および化学プロセスへの窓を提供し、最終的には植物の生態学的戦略と生態系機能に関する有用な情報を明らかにすることができます。
Royerら5は、葉身の面積と葉柄の幅に基づいて、木質の非単子葉植物(双子葉植物)被子植物の化石葉のMAを推定する方法を開発しました。理論的には、葉柄は片持ち梁として機能し、葉の重量を最適な位置に保持します3,4。したがって、ビーム強度の最も重要な要素を構成する葉柄の断面積は、葉の質量と強く相関しているはずです。葉柄の形状を円筒形のチューブに単純化することにより、葉柄の断面積を葉柄の幅の2乗で表すことができ、葉の質量を2次元の化石から推定することができます(詳細については、Royer et al.5を参照)。葉の面積を直接測定できます。一緒に、葉柄の幅を葉の面積で割ったもの(つまり、葉柄のメートル法。表1)化石MAの優れた代理を提供し、古植物学者が現代の形質ベースの生態学に足を踏み入れることを可能にします。また、M Aの再構成法は、広葉樹および葉柄の裸子植物5,8、草本被子植物8、シダ9にも拡大され、木本双子葉植物の被子植物で観察された関係とは異なる関係を生み出し、互いに異なる関係を生み出した。拡張されたウッディダイコットデータセットと、サイトレベルでのMAの分散と平均を再構築するための新しい回帰方程式により、化石植物相10のウッディダイコット被子植物の中で、葉の経済戦略の多様性と最も普及している戦略の推論が可能になります。
人相学的な葉の形質とその気候との関係は、1世紀以上にわたって注目されてきました11,12。具体的には、木本双子葉植物の被子植物の葉の人相は、温度および水分と強く相関している13。この関係は、陸生古気候の多数の単変量14,15,16,17および多変量6,18,19,20,21,22葉の生理学的プロキシの基礎を形成しています。単変量および多変量葉の生理学的古気候法は、地球の歴史の過去~1億2000万年(白亜紀から現代)にわたるすべての大陸の被子植物優位の化石植物相に広く適用されてきた23。
葉の生理学的な古気候プロキシで利用される2つの基本的な観察結果は、1)葉のサイズと平均年間降水量(MAP)との関係、および2)葉の歯(つまり、葉縁の外向きの投影)と平均年間気温(MAT)との関係です。具体的には、ある地域におけるすべての木本双子植物被子植物種の平均葉サイズはMAPと正の相関があり、歯のある葉を持つ地域における木本二子葉植物被子植物種の割合は、歯のサイズと数に加えて、MAT6,12,13,14,15,16,24と負の相関があります。
これらの葉の人相と気候の関係との間の機能的な関連性は、理論と観察の両方によって強く支持されています1,2,25。例えば、葉が大きいほど光合成表面積は大きくなりますが、葉はより大きな支持を必要とし、蒸散によってより多くの水分を失い、境界層が厚いため、より顕熱を保持します1,26,27。したがって、蒸散量の増加による水分損失が葉を効果的に冷却し、問題が少ないため、より大きな葉はより湿った、より暑い環境でより一般的です。対照的に、乾燥した暑い気候の小さな葉は、水の損失を減らし、代わりに顕熱損失を増加させることにより過熱を回避します28,29。どの因子、または因子の組み合わせが機能的関連性の説明に最も強く寄与するかの詳細は、他の葉の形質については謎のままです。例えば、葉の冷却、効率的な芽のパッキング、細い葉の支持と供給の強化、ヒダソードによるガットーション、およびシーズン初期の生産性の向上など、葉の歯とMATの関係を説明するためにいくつかの仮説が提案されている30,31,32,33。
ほとんどの葉の生理学的古気候プロキシは、連続変数の定量的測定ではなく、葉の形質のカテゴリー分割に依存しており、いくつかの潜在的な欠点につながります。カテゴリーカルアプローチは、気候と強く相関する連続測定によって取得されたより詳細な情報(例えば、歯の数、葉の直線性)の組み込みを除外し、古気候の推定6,20,34の精度を低下させる可能性があります。さらに、一部の葉形質のスコアリング方法では、カテゴリ別に採点される形質があいまいになり、再現性の問題につながる可能性があり、一部の形質は、気候への機能的なリンクを裏付ける経験的証拠が限られています6,15,16,35,36。
これらの欠点に対処するために、Huff et al.20は、デジタル葉の人相学(DiLP)として知られる方法で連続的な葉の形質をデジタルで測定することを提案しました。DiLPが従来の方法と比較した場合の主な利点は、1)ユーザー間で確実に測定できること、2)本質的に連続的であること、3)気候に機能的に関連していること、4)生育期間で表現型の可塑性を示すこと、という形質に依存していることである6,37。これにより、MATとMAPの推定は、以前の葉の生理学的古気候法よりも正確になりました6。さらに、この方法は、損傷した葉や不完全な葉を説明する手順を提供することにより、化石記録の不完全な性質に対応します。DiLP法は、地質時代の広い範囲にまたがる複数の大陸からのさまざまな化石植物相にうまく適用されています6,38,39,40,41,42。
次のプロトコルは、以前の研究5,6,20,34で説明したプロトコルの拡張です。DiLPおよびMA再構成法を使用して、木質双子葉植物の被子植物の化石の葉から古気候および古生態学を再構築するために必要な手順を説明します(このプロトコルを使用して測定および計算された変数の説明については、表1を参照してください)。さらに、このプロトコルは、DiLPまたはMA分析に含まれない葉の形質を記録および計算する手順を提供しますが、実装が容易で、葉の人相の有用な特性評価を提供します(表1)。プロトコルは次の形式に従います:1)化石の葉をイメージングします。2)葉のデジタル準備、5つの可能な準備シナリオに整理されています。3)葉のデジタル測定は、同じ5つの可能な準備シナリオに整理されています。4)Rパッケージdilp10を使用したDiLPおよびMA分析。
MA再構成のプロトコルは、両方が互いに並行して準備および測定するのに便利であるため、DiLPプロトコルに組み込まれています。MA解析のみに関心がある場合は、葉の縁が歯付きであるかどうかのDiLP調製シナリオ2で説明されている準備手順と、葉柄の幅、葉柄の面積、葉の面積の測定のみを説明する測定手順に従う必要があります。その後、ユーザーは mA 再構成を実行する dilp R パッケージ内の適切な関数を実行できます。
この記事では、葉の生理学の連続的な形質を木質双子葉植物の被子植物の化石の葉で測定し、その後、現代のキャリブレーションデータから開発されたプロキシに適用して、古気候と古生態学を再構築する方法を紹介します。これには、方法論的なステップをプロキシキャリブレーションデータセット5、6、10に示されているものと一致させるように注意する必要があります。この検討は、化石葉の収集中にこのプロトコルを適用する前に、特にサンプルサイズに関して開始されます。化石の葉の群集をできるだけ狭い範囲の層序にプールして、適切な数の測定可能な標本と形態型を取得し、時間平均化を最小限に抑えることをお勧めします。古気候の再構築を、少なくとも350の識別可能な標本と少なくとも15-20の木質双子葉植物の被子植物の形態型を持つ場所に限定することも推奨されます19,51,52。さらに、分析のために葉を選択するときは、モルフォタイプごとにできるだけ多くの葉を測定し、少なくとも、モルフォタイプ内の葉の人相の変動性を表す標本を選択することをお勧めします。
試料作製セクションと測定セクションを実装する際には、キャリブレーションデータセットとの一貫性を保つために、さらに注意を払う必要があります。準備段階で実施されるステップは、主観性が最も強く、ユーザー間で結果が異なる可能性があります。しかし、プロトコールが意図的に守られ、追加の考慮事項の表(表2、表3)および規則文書(補足ファイル3)が頻繁に参照される場合、この方法は、葉の人相の客観的で再現性のある測定をもたらす。この方法を初めて使用するユーザーには、葉が正しく準備されていることを、より経験のある人に確認することをお勧めします。MA 再構成のための葉柄幅を測定する際には、特別な注意が必要です。これらの値は二乗されるため、測定値の不正確さは誇張されます。不完全な保存と損傷は葉柄の寸法を変更する可能性があるため、慎重に避ける必要があります。
これらの方法には、注目に値するいくつかの制限があります。最も重要なことは、dilp Rパッケージに含まれる代理再構成は、木質双子葉植物の被子植物のみを対象としているため、古代コミュニティの顕著な構成要素であった他の植物グループを除外する可能性があることです。しかし、種レベルのMAのための追加の葉柄ベースのプロキシは、葉柄および広葉類の裸子植物5,8、草本の被子植物8、およびシダ9について公開されており、ユーザーは必要に応じて別々に組み込むことができる。木本双子葉植物の被子植物以外のコミュニティの著名な植物グループの除外は、コミュニティ全体の経済戦略の不完全な視点を提供するため、サイトレベルのMA平均と分散の再構築に最も影響を与える可能性があります。系統発生史は葉歯の発生に影響を及ぼし23、新しい分類学的組成を持つ化石群集を分析すると、結果として得られる推定値に不確実性が生じる可能性がある可能性が紹介されていますが、この潜在的な影響の実現はまだテストおよび実証されていません。
化石の葉は、縁辺の状態を超えた葉の人相の定量的測定を組み込むためにも適切に保存する必要があります。DiLPの場合、これは特に全体のマージンリーフに当てはまり、全体の葉または半分の葉が保存されているか、再構築できる場合にのみ、マージン状態を超えて情報を提供できるためです。同様に、葉をMA 再構成に組み込むことができるのは、(1)葉身への挿入時の葉柄の両方が保存されている場合、または特定の場合には、葉の基部と中静脈の基底部の最上部が保存されている場合(ステップ3.6の注を参照)、および(2)葉のサイズを推定できる場合、 全葉測定または半葉再構成のいずれかによって。これは、一部の形態型が部位レベルのMA 解析から完全に除外される可能性があることを意味します。最後に、このプロトコルでは時間の制限があり、古気候の再構築のための単変量代替案は、作成にかかる時間が比較的短いためです。
これらの制限にもかかわらず、DiLPおよびMA再構成法の使用には、他の方法に比べていくつかの利点があります。MAの再構築は、化石記録の葉の経済戦略を再構築する唯一の方法の1つであり、2次元の葉柄の幅と葉の面積の測定を使用することで、一般的な印象/圧縮葉の化石を使用して再構築を行うことができます。DiLPでは、気候と機能的に関連した複数の連続測定を組み込むことで、測定の再現性と結果として生じる気候再構成の精度が向上します6,13。このプロトコルは、葉の断片を使用して葉の歯の有無の測定を行うことを許可することにより、化石記録の不完全な性質に対応するように設計されています。葉の面積の連続的な測定は葉のサイズについてより多くの情報を提供しますが、DiLP MAPの推定値は、サンプルサイズ16,53を増やすために葉のサイズクラスを使用するものによって、または葉の面積42,54,55の静脈スケーリング推定を組み込むことによって補完することができます.ほとんどの複雑な方法と同様に、このプロトコルの時間効率は、特に準備ステップにおいて、ユーザーがより経験豊富で自信を持つにつれて向上します。サイトレベルのDiLP測定が、これまでに>150の現代の6,10,56と少なくとも22の化石群集に対してこのプロトコルに従って行われてきたという事実は、その実現可能性を証明しています6,38,39,40,41,42.最後に、葉の人相学の包括的な測定は、ここで議論したもの以外にも応用があり、植物の生態学、生理学、進化、および発達の他の側面を説明するのに役立つ可能性があり、現代の56と古研究40の両方に適用できます。
要約すると、この記事で詳述されている方法の実装により、ユーザーは堅牢で再現性のある方法を使用して古気候と古生態学を再構築できます。これらの手法は、環境摂動に対する気候と生態系の応答の過去の例を紹介し、地球の自然システムの複雑な相互作用についてさらなる洞察を提供する重要な機会を提供します。
The authors have nothing to disclose.
AJLは、ワシントン大学の2020-2022年度の学部生Team Leafに対し、DiLPの効果的なトレーニング教材を作成するためのモチベーションと提案に感謝します。AGF、AB、DJP、およびDLRは、ウェズリアン大学とベイラー大学の多くの学部生が、現生および化石の葉を測定し、このプロトコルの変更と更新に非常に貴重な意見を提供してくれたことに感謝します。著者らは、PBot Quantitative Traits Working GroupとPBOTチームが、このプロトコルを形式化してより広範なコミュニティにとってよりアクセスしやすくするための作業を奨励してくれたことを認めています。この研究は、全米科学財団(DLRにEAR-0742363、DJPにEAR-132552)とベイラー大学(DJPにYoung Investigator Development Program)の支援を受けました。このプロトコルの明確さと包括性を向上させるためのフィードバックを提供してくださった2人の匿名のレビュアーとレビューエディターに感謝します。
Copy stand or tripod | For fossil photography | ||
Digital camera | For fossil photography, high resolution camera preferred | ||
Image editing software | For digital preperation. Examples include Adobe Photoshop and GIMP, the latter of which is free (https://www.gimp.org/) | ||
ImageJ software | IJ1.46pr | For making digital measurments, free software (https://imagej.net/ij/index.html) | |
Microsoft Excel | Microsoft | Or similar software for data entry | |
R software | The R foundation | For running provided R script (https://www.r-project.org/). R studio offers a user friendly R enviornment (https://posit.co/download/rstudio-desktop/). Both are free. | |
dilp R Package | Can be installed following instructions here: https://github.com/mjbutrim/dilp |