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由法兰克福歌德大学、加州大学伯克利分校和法国国家科学研究中心蒙彼利埃分部领导的国际研究团队开展了一项前所未有的田间实验,研究拟南芥(Arabidopsis thaliana)对从阿尔卑斯山到内盖夫沙漠等各种气候的进化适应性。研究团队在全球30个地点播种拟南芥,监测其生长发育,并分析其基因变化。结果表明:许多拟南芥种群迅速适应了当地气候,但也有一些种群灭绝了。这些发现表明,遗传多样性如何确保种群的生存。
法兰克福。这项大规模实验始于2017年秋季,实验中使用了360个装有拟南芥种子混合物的塑料小管。拟南芥是一种不起眼的一年生植物,开着白色的小花。这些小管被运往西欧、北欧、地中海地区和美国的30个地点。在每个地点,来自全球网络的生物学家们在12块约四分之一平方米的试验田中播种,建立了12个拟南芥种群。这些种群依靠种子得以延续到第二年。
在长达五年的时间里,研究人员监测了植物的生长和性能,并每年采集组织样本进行基因分析。他们的共同目标是:追踪植物如何进化以适应高度多样化的环境。
“新环境下快速进化的基因组学”网络(GrENE-net)由法兰克福歌德大学植物进化生态学教授 Niek Scheepens 与蒙彼利埃功能与进化生态中心的 Fran?ois Vasseur 博士和加州大学伯克利分校的 Moisés Expósito-Alonso 教授于 2016 年共同发起。
美国研究团队现已对前三年采集的植物样本进行了基因分析。结果表明:在大多数气候带,植物种群得以存活并适应了当地的环境条件。这体现在其基因组(即全部基因)中数百万次的变化上。在特定地点,所有十二个种群的许多基因组变化在统计学上都相似。此外,气候相似的地点也表现出类似的基因变化,这些变化影响着与耐旱性或开花时间等性状相关的基因。
Scheepens解释说:“这两项发现都表明气候如何施加进化选择压力,有利于那些帮助植物更好地适应环境的基因和基因变异。”
然而,一些塔尔豆种群——主要分布在特别炎热干燥的地区——在三年后灭绝,留下了寸草不生的荒地。基因组分析表明,这些灭绝事件之前发生了强烈的遗传波动,而且这十二个种群的演化方向并不一致。Scheepens指出:“在这些种群中,由于每个样地内的种群规模相对较小,随机变化显然占据了主导地位。所谓的‘遗传漂变’而非成功的适应占据了主导地位。”
进化生态学家尼克·谢彭斯总结道:“通过这项实验,我们可以近乎实时地观察进化过程。它表明,只要有足够的遗传多样性,进化适应就能非常迅速地发生。因此,种群数量少、遗传多样性低的稀有植物物种很难应对包括气候变化在内的环境变化。总而言之,我们的实验有力地呼吁人们保护生物多样性:多样性确保生存。”