一些物種在其棲息的環境中發揮著超乎尋常的作用。海狸建造水壩，形成魚類繁衍生息的池塘。海獺在海帶森林中吃掉足夠多的海膽，這樣海帶就可以生長而不會被首先吞噬殆盡。這些所謂的關鍵物種將它們的生態系統維繫在一起。
但是，如果生態系統不僅依賴於單個物種，而且可以由單個基因決定成敗呢？在週四發表在《科學》雜誌上的一項研究中，研究人員證明了他們所謂的“關鍵基因”的存在。這項發現可能對科學家思考生態系統及其中的物種如何隨時間推移而持續存在的方式產生影響。
在實驗室中，研究人員構建了幾個微型生態系統，每個生態系統僅由四個物種組成。在食物鏈的底端是擬南芥，這是一種小型一年生植物，是生物學家最喜歡的研究生物（它的基因組在 20 多年前就被測序）。在每個生態系統中，這種植物都充當兩種蚜蟲的食物，而蚜蟲又餵養寄生蜂。
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每個麵包箱大小的生態系統都包含多株擬南芥植物。在一些系統中，這些植物是基因相同的——單一栽培。在另一些系統中，透過開啟和關閉三個基因——MAM1、AOP2 和 GSOH——的不同組合，引入了基因變異。研究人員專注於這些基因，因為它們維持稱為脂肪族葡糖異硫氰酸酯的化合物的產生，這些化合物透過阻止飢餓的蚜蟲來保護植物。一些實驗生態系統中的遺傳組合數量比其他生態系統中的更多；研究人員觀察了植物、蚜蟲和黃蜂在每種情景中將如何共存。
正如該團隊所預期的那樣，植物基因多樣性更高的生態系統結果證明更穩定。對於研究人員新增到混合物中的每種具有不同基因組成的植物，與單一栽培相比，昆蟲的滅絕率下降了近 20%。
但令研究人員震驚的是，這一結果似乎取決於單個基因。無論多樣性如何，如果系統中包含具有 AOP2 基因的某種變體或等位基因的植物，則昆蟲的滅絕率與沒有該基因的系統相比下降了 29%。本質上，如果您改變 AOP2 等位基因，您就會失去昆蟲。增加基因多樣性有助於昆蟲，因為它增加了蚜蟲遇到具有這種關鍵基因變異的植物的可能性。“我們預料到了多樣性效應，”主要作者兼蘇黎世大學生態學家馬特·巴伯說。“但單個基因出乎意料的巨大影響——這令人驚訝。”
同樣令人驚訝的是 AOP2 等位基因影響蚜蟲的機制。儘管該變異改變了植物產生其蚜蟲驅避化合物的方式，但它也使植物生長得更快。這反過來又使蚜蟲以及依賴它們作為食物的黃蜂能夠更快地長大。“以植物為食的蚜蟲實際上能夠長得更大，而且它們能夠更快地繁殖，因此它們的種群能夠更快地增長，”巴伯解釋說。“我沒想到 AOP2 會有這種效果。”
“表明單個基因實際上可以重組生態網路，這真是將遺傳學和前沿生態學研究結合在一起的一個絕佳例子，”不列顛哥倫比亞大學的生物多樣性科學家雷切爾·日耳曼說，她沒有參與這項研究。“這是此類研究中的第一個，我預計未來會有更多。”
保護生物學家早就知道，多樣化的生態系統大於其各部分的總和，特別是，它們更穩定。同樣，物種的更多基因多樣性種群更有可能生存下來，這要歸功於它們適應不斷變化的環境的能力增強。這種效應類似於分散投資組合：人們無法確定哪些基因將導致種群取得更大的成功，因此擁有的選擇越多，出現某種結果的可能性就越大。
但新的發現指出了一種機制，該機制可能使基因多樣性對於維持生態系統至關重要。如果特定的基因變異——關鍵基因——從種群中丟失，其他物種可能會滅絕，而不僅僅是基因的所有者。“這實際上與基因多樣性無關，而是在擁有多樣化的基因庫時，您會增加找到那種單一重要突變的機會，”日耳曼說。“這就是這篇論文很酷的一點——這可能是許多生態學家沒有過多考慮的事情。”
巴伯說，他不認為關鍵基因維繫著每個生態系統。“我不認為它們很常見，”他說。“但是當它們存在時，它們將非常重要。”
巴伯推測，也許科學最終可以利用關鍵基因來保護和恢復生物多樣性。“人類長期以來一直在培育植物，並在最近對它們進行基因改造，”他說。“如果我們知道哪些基因不僅能使它們更好地生存，還能促進生物多樣性，那會怎樣？我認為這是一個非常重要、非常有趣的意義。”但這仍然是一個未來需要解決的問題。“我們才剛剛開始嘗試真正剖析這些基因對生態系統的影響，”巴伯補充道。