編者按：以下文章經許可轉載自對話，這是一個報道最新研究的線上出版物。
隨著氣候變化的影響迅速改變社群、經濟和自然系統，為我們這個時代最緊迫的生物學挑戰尋求新的解決方案的需求從未如此迫切。其中一個重要的組成部分是解鎖植物的天然遺傳多樣性，以識別那些最能適應不斷變化的環境的物種和種群。
正如研究人員利用遺傳學來提高糧食產量一樣，遺傳學也可以提供解決方案，以維護生物多樣性並保護原生生態系統提供的服務。遺傳學有可能惠及從草原到松樹林和珊瑚礁的原生系統。
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眾所周知，植物在耐旱性和耐溫性、水分利用效率以及其他性狀方面具有廣泛的遺傳變異，這些性狀對於在氣候變化中生存和避免滅絕至關重要。不斷變化的氣候條件不僅影響植物本身，還影響其他影響植物群落的生物。例如，變化的環境條件可能會增加病蟲害爆發，或者允許入侵物種進入以前不適宜生存的區域。重要的是，植物在對病蟲害和入侵物種的反應中也表現出遺傳變異，這些變異可用於減輕其負面影響。
在遭受氣候變化影響的地區，遺傳學的應用將變得越來越重要。例如，在美國西部，自 1995 年以來，乾旱和高溫使樹木死亡率翻了一番，並且死亡率隨著時間的推移而加速。黃松是西部標誌性的優勢樹種，在科羅拉多州和亞利桑那州的許多地點幾乎遭受了 100% 的死亡，氣候變化使這些地方的樹木更容易受到樹皮甲蟲爆發的影響，進而導致野火增加。
幸運的是，植物基因組——一個生物體的所有遺傳資訊——是一個巨大的遺傳變異庫，可以用來幫助防止因氣候變化而遭受損失的物種滅絕。新技術和研究平臺使研究人員能夠識別出那些能夠在未來氣候以及面對氣候變化帶來的無數連鎖效應中生存下來的個體和種群。
基於遺傳學的環境研究已經開始幫助恢復受損和退化的景觀。30 多年來，一個研究人員聯盟一直在研究棉白楊樹的遺傳變異如何影響從微生物到哺乳動物的整個生物群落。這項研究參與了在科羅拉多河下游耗資 6.26 億美元、為期 50 年的專案，該專案表明不同種群的成功存在基於遺傳學的重大差異，墾務局和其他機構正在利用這些差異來恢復河岸棲息地。透過此類恢復-研究相結合的實驗，科學家可以瞭解哪些遺傳譜系最有可能在未來的氣候中生存下來。
要了解植物對氣候條件的反應，需要整合多學科的科學，以研究不斷變化的環境條件如何透過植物的生命週期及其後代影響植物。植物物種經過數千年的時間適應當地條件，這意味著今天在當地適應良好的物種明天可能會表現不佳，因為氣候正在變化。因此，基於遺傳學的研究可以幫助識別出那些具有優良性狀的個體，使其能夠在未來的氣候中生存下來。這類研究需要由氣候變化科學家、生物學家、遺傳學家、建模師和工程師組成的跨學科團隊，他們正在使用和開發新技術和研究平臺來解鎖植物基因組內蘊藏的大量資訊。
這些進展之一是西南實驗花園陣列（SEGA），這是一個耗資 500 萬美元的設施，在國家科學基金會、北亞利桑那大學以及眾多公共和私人土地所有者的支援下得以實現。SEGA 是一個新的基於遺傳學的氣候變化研究平臺，使科學家能夠量化物種對不斷變化的氣候條件的生態和進化反應。SEGA 將在亞利桑那州北部陡峭的海拔梯度上建立一個由 10 個花園組成的系統。由於溫度和溼度隨海拔高度可預測地變化，這些花園反映了氣候差異——從沙漠到高山森林——模擬了氣候變化的影響。透過在不同的環境中種植相同的植物物種和基因型，科學家可以識別出哪些物種表現最佳，最有可能在變化的環境中生存下來。
SEGA 是世界上首個此類研究平臺，但如果要更廣泛地實現基於遺傳學方法的潛在益處，就必須將其轉移給全球合作伙伴並由其複製。同樣，這種方法需要培養新一代接受過不同學科培訓的科學家——他們可以合作解決涉及整個生物群落的複雜生物學問題。
儘管挑戰巨大，但我們生活在一個知識和技術可以用來確保整個生態系統和依賴於生態系統的人們生存的時代。基於遺傳學的方法旨在利用野生種群中存在的天然遺傳變異來恢復受損的自然系統，並減輕氣候和其他全球變化的影響。雖然原生生態系統正面臨著前所未有的挑戰，但遺傳學的應用為我們提供了充滿希望的新解決方案。
托馬斯·惠特曼接受國家科學基金會和墾務局的資助。
本文最初發表於LiveScience，隨後發表於The Conversation。