1 引言 对多种植物物种的研究揭示了不同生态功能特征的渐变现象，为理解与气候相关的适应性变异提供了见解（Reinartz 1984；Lacey 1988；Weber and Schmid 1998；Rehfeldt et al. 2002）。例如，植物高度通常随海拔升高而降低，而叶片质量与面积的比率则随海拔升高而增加（Read et al. 2013；Halbritter et al. 2018）。有趣的是，这种趋势在物种内部和物种之间都存在（Read et al. 2013）。这种特征趋同表明，在相似的生境中选择了类似的功能特征。在这种情况下，了解与气候差异相关的植物特征沿环境梯度的变化，可以提供关于植物群如何应对正在进行和当前气候变暖的迫切需要的信息。然而，我们对物种内部种群如何适应不同类型的气候条件的了解仍然有限。尽管许多研究记录了与种群间环境或生境差异相关的种内遗传和表型变异（例如，Linhart and Grant 1996；Leimu and Fischer 2008；Wadgymar et al. 2022；Dorey et al. 2024；Pålsson et al. 2024），但具体是哪些特征导致种群间表现差异却鲜为人知。很少有研究在局部和广泛的空间尺度上同时考察适应性特征的变化。然而，这种整合至关重要，因为没有它，局部记录的适应策略就无法可靠地解释为普遍的生态响应，而只是区域性的现象。地中海地区包含许多微气候区域。地中海周围有许多丘陵和山脉，在较高海拔处会出现严寒的冬季，而在较低海拔处则经历更炎热和长时间的干旱。地中海植被以芳香植物为特征，尤其是唇形科的众多物种。这些物种的精油化学组成具有多态性（J. Thompson 2005）。在这里，精油指的是植物产生的挥发性次生代谢物的混合物，其组成在物种内部和物种之间可能有所不同。一个与气候变异相关的遗传多态性特征的显著例子是在芳香灌木普通百里香（Thymus vulgaris）中发现的——野生百里香。像大多数唇形科物种一样，普通百里香会产生大量的单萜类化合物——芳香挥发性分子，这些化合物储存在叶子和茎上的腺毛中（Richardson 1992；Stahl-Biskup 2002；J. D. Thompson 2002）。这种物种在开放性的灌木丛中非常常见，这是一种地中海生境类型，其特征是植物和昆虫的物种丰富度都很高（Blondel and Aronson 1999），从海平面到800米的海拔都有分布。在法国南部，种群包含一种或多种不同的化学类型，每种化学类型由其精油中的主要单萜类化合物的身份定义。两种化学类型（百里酚和香芹酚）的精油以具有酚类结构的单萜类化合物为主，主要分布在冬季温度较温和的浅层多石土壤中。相比之下，非酚类化学类型（香叶醇、-萜品醇、丁子香酚和芳樟醇）主要分布在土壤较深且湿润的地区，这些地区的冬季温度比以酚类化学类型为主的地区更为严寒。这种化学多态性的遗传学特征已经得到了很好的描述（Vernet et al. 1986；Bataillon et al. 2022），涉及少数几个主要基因。化学不同的但地理位置接近的种群之间的基因流估计值很高，这表明在化学类型变异上存在强烈的局部表型选择。与这一预期一致的是，相邻种群在基因组范围内分化较弱，但在决定化学类型多态性的遗传变异上表现出强烈的遗传分化（Bataillon et al. 2022）。在该地区进行了互惠移植研究，将酚类和非酚类植物移植到分别以酚类或非酚类植物为主的种群中。经过几年的跟踪观察，发现酚类化学类型在温暖干燥的夏季存活率更高，而非酚类化学类型在早期冬季霜冻时存活率更高——尤其是在温度降至-10°C以下时（Thompson et al. 2007）。这些研究表明，在普通百里香中，化学类型可以分为两种生态型：一种适应非常温暖干燥夏季的酚类生态型，另一种适应冬季可能经历严寒的非酚类生态型。这些结果为法国南部普通百里香在细空间尺度上的气候驱动生态型分化提供了有力证据。在同一研究区域，自20世纪70年代以来，许多百里香地点的化学类型空间分布一直保持稳定——尽管估计这些地点之间的基因流很高（J. D. Thompson 2002；Bataillon et al. 2022）。然而，在过去的1-20年里，以前主要由非酚类（更耐寒的生态型）植物组成的地点观察到了酚类植物的显著增加，这表明这是对气候变暖的近期响应（Thompson et al. 2013）。这些在非常局部空间尺度上进行的研究引出了一个更广泛的问题：这种生态型变异是否仅限于法国南部，还是代表了地中海地区普通百里香更广泛地理分布中的空间适应策略？有趣的是，几乎相同的化学类型不仅存在于其他百里香物种中，也存在于唇形科的其他属中。这表明在普通百里香中观察到的生态型可能反映了在唇形科中反复进化出的更普遍的适应策略。薰衣草属（Lavendula）、牛至属（Oreganum）、鼠尾草属（Satureja）和迷迭香属（Rosmarinus）的物种也产生以常见百里香中的单萜类化合物为主的精油。文献中的零星报告表明，在相似的非生物条件下，不同物种中经常出现相同的化学类型（J. Thompson 2005）。例如，非酚类化学类型芳樟醇和α-萜品醇在百里香、薰衣草和迷迭香中最为常见，而酚类化学类型在百里香、牛至和 savory 中更为常见（J. Thompson 2005；Munos-Bertomeu et al. 2007；Jamshidi et al. 2009）。在这里，我们测试在普通百里香中识别的酚类和非酚类生态型是否代表了一种普遍且具有地理适应性的策略。我们描述了法国南部地中海山区10个独立山脉横断面上高海拔和低海拔地区的化学类型变异。我们将这些信息与通过对西北地中海地区不同唇形科物种（普通百里香、齐吉斯百里香、普通牛至和山地鼠尾草）种群中产生的主要单萜类化合物的研究进行系统回顾所获得的数据结合起来。然后，我们将这些出现数据与气候变量整合起来，探讨普通百里香的酚类和非酚类生态型是否也在更广泛的地理尺度上存在。我们通过检查其他唇形科物种中的酚类和非酚类化学类型是否在相似的非生物条件下生长来测试表型趋同的假设，从而判断酚类/非酚类环境特化是否在这些物种中反复进化。
2 材料与方法
2.1 来自新野外样本的植物材料和化学表型分析 2021年和2022年春季从法国地中海低山区采集了普通百里香的化学类型样本。采样地点的海拔范围从212米到1700米不等，地理范围从西部的比利牛斯-东方省（Queribus/Corbiere地区）延伸到东部的普罗旺斯（Mercantour国家公园）。使用新鲜百里香叶片确定了产生的单萜类化合物。从10个山脉横断面上的25个地点中，每个地点采集了15-20株植物的顶部2厘米的枝条。通过将每个个体的枝条浸入1.0毫升98%乙醇中来提取萜类化合物。样品在5°C下储存直至分析。在将乙醇样品用甲醇稀释（稀释比例为1:4）后，使用气相色谱-质谱法（GCMS）确定了这些样品中的主要单萜类化合物的身份。甲醇提取的样品在配备Omegawax 320柱（30×0.25毫米；0.25微米厚度）的Shimadzu GCMS-QP2101Plus上进行分析，使用氦气作为载气。通过将保留时间和质谱与质谱库中的标准品进行比较来鉴定化合物。检测到的主要单萜类化合物包括百里酚、香芹酚、p-芹烯、-萜品烯、芳樟醇、香叶醇、丁子香酚和少量1,8-桉叶油醇。前两种化合物（百里酚和香芹酚）是酚类的，γ-萜品烯是这些化合物在生物合成链中的前体（Passet 1971；Vernet et al. 1986），p-芹烯是由-萜品烯和香芹酚之间的中间体重新排列形成的（Krause et al. 2021）。前四种提到的单萜类化合物被归类为“酚类”，后几种被归类为“非酚类”。
2.2 从文献调查中收集的环境数据和化学类型观察 我们使用了评估地中海地区自然生长的普通牛至（O. vulgare）、山地鼠尾草（S. montana）、齐吉斯百里香（T. zygis）或普通百里香（T. vulgaris）精油化学组成的科学论文的数据。仅包括采样地中海地区野生生长的这四种目标植物物种的叶片或叶片和花朵的研究。我们使用“化学组成”、“精油”、“地理变异”等关键词在Web of Science和Google Scholar等数据库中搜索相关论文。根据精油中最主要的化学化合物，将每个物种的样本分类为酚类或非酚类化学类型（图1）。我们仅考虑了能够确定样本地理位置在至少10公里半径内的论文数据。由于没有指定分析的个体植物数量，我们将所有样本视为一个单独的种群（即一个观察结果）。这种方法避免了过度代表具有多个样本的地点，并减少了伪重复的风险。虽然它忽略了地点内的变异和化学类型频率的不确定性，但它提供了一个保守的框架，使我们的分析对潜在的采样不均匀性具有鲁棒性。总共得到了438个种群的数据集。用于元分析的科学论文以及使用的样本数量和报告的化学化合物在表S1中提供。
生态型是一个二分类别响应变量（酚类/非酚类），α是截距，β是与预测因子PC1和PC2相关的回归系数，这两个主成分是从环境变量的PCA分析中得出的。在所有模型中，物种是一个具有四个水平的分类变量（代表我们研究的四个物种）。模型一假设生态型变异仅由物种差异决定，而不受局部气候变量的影响。模型二假设生态型变异由物种差异和环境因素（表示为PC1和PC2）共同决定，模型三则进一步假设环境因素与生态型存在/缺失之间的关系可能是物种特异性的。生态型的存在-缺失使用HMSC默认先验通过probit-link函数进行建模（Ovaskainen和Abrego 2020）。使用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）方法获得了拟合参数的后验分布。每个模型运行了四条链，每条链迭代52,000次，其中2000次被丢弃作为燃烧期，剩余的50,000次均匀稀疏以在每个模型中产生500个样本（总共2000个样本）。通过检查MCMC迹图和计算每个模型中参数的潜在缩减因子（Gelman诊断）来检查模型的收敛性（slopes associated with each predictor variable）。使用8折交叉验证评估模型的解释能力，并计算验证折叠中的曲线下面积（AUC）和判别系数（Tjur R2）。我们使用广泛适用的信息准则（WAIC）来比较模型，并评估是否应将PC1和PC2作为线性或二次预测变量包含在模型中。所有模型都是使用R 4.2.1中的自定义脚本拟合的，使用了R包hmsc v3.0提供的函数（Tikhonov等人2020）。
气候变化可能会将物种的分布推向更高的海拔和纬度（Chen等人2011年），特别是如果它们无法适应当前位置发生的变化。了解物种如何追踪气候变化，以及最终了解这种适应性的基础特征及其遗传基础，可以帮助我们预测哪些物种将在当地持续存在或改变其分布（Waldvogel等人2020年）。随着气候变暖的加剧，我们预计与耐寒性相关的特征的选择压力将会减弱。法国南部St Martin de Londres山谷中酚类和非酚类百里香化学型的快速进化变化就是一个例子（Thompson等人2013年）。我们发现，三种不同的芳香植物物种中的酚类和非酚类植物占据了与百里香相似的气候生态位。这表明，持续的气候变暖可能会改变这些植物的化学组成，其中酚类类型可能比非酚类类型更受青睐。直接预测未来的化学型变化将需要使用共同花园或互惠移植实验进行验证。这些芳香植物在灌木丛中非常占优势，它们不仅强烈影响群落结构，还可能产生超出植物表现的更广泛的生态后果。芳香植物的存在通过单萜类化合物渗入土壤来改变局部环境，这会影响土壤微生物群和养分循环，以及通过它们对相关物种的化感作用和促进作用（Linhart和Thompson 1999年；Linhart等人2005年；Ehlers和Thompson 2004年；Ehlers等人2014年）。然而，单萜类化合物在土壤和大气中对邻近植物、昆虫和土壤生物群的影响因单萜类化合物及其邻近物种的身份而异（例如，Linhart和Thompson 1999年；Ehlers和Thompson 2004年；Linhart等人2005年；Ehlers等人2014年）。因此，我们预计这些群落的组成变化不仅是由于气候变化，还由于优势植物物种化学成分的变化。总体而言，我们的结果记录了化学型在环境关联方面的大规模跨物种趋同，为未来关于维持这种多态性的实验和进化研究提供了基础。
