受威脅的森林無法移動，因此科學家正在遷移它們的基因

在溫哥華郊外的一片田野裡，馬路對面是一排整潔的白色聯排別墅，大約 500 棵茂密的西特卡雲杉樹向著太陽生長。在 2013 年春季的某一天，這些樹木呈三角形，長著密密麻麻的深綠色針葉，肩並肩地擠在一起——或者，在某些情況下，肩並腰。雖然這些雲杉都是在七年前的同一時間種植的，但它們的高度卻像小學生排隊拍攝集體照一樣參差不齊。

最小的樹木，大約兩英尺高，來自阿拉斯加州的科迪亞克島；最高的，近七英尺高，原產於俄勒岡州。高度不是唯一可見的差異。來自阿拉斯加的雲杉比來自俄勒岡州的雲杉早整整三個月——整整一個季節——發芽。無論溫度降到多低，阿拉斯加的樹木也保持綠色和健康。

這些雲杉被紮根在這片田野裡，位於不列顛哥倫比亞大學綿延校園的一端，作為一項實驗，旨在突出樹木如何適應當地環境。樹木與其棲息地相匹配，這聽起來可能很明顯。但細節很重要，因為一個迫在眉睫的威脅：隨著地球變暖，這些棲息地正在發生變化——而樹木不可能起身走到新的家園。如果一個物種無法跟上氣候變化的步伐，它註定要滅絕。

關於支援科學新聞

如果您喜歡這篇文章，請考慮支援我們屢獲殊榮的新聞報道，方式是 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。

由於樹木本身無法遷移，科學家們正在探索一種新穎的解決方案：遷移植物的 DNA。這就是莎莉·N·艾特肯種植雲杉園的原因。艾特肯是不列顛哥倫比亞大學森林保護遺傳學中心主任，她認為拯救不列顛哥倫比亞省和世界各地的森林可能取決於一種稱為輔助基因流動的做法。它可以透過將具有特定性狀的生物從其自然分佈範圍的一部分轉移到另一部分，來幫助物種適應未來的條件。來自俄勒岡州的樹木和來自阿拉斯加州的樹木可能有一些基因可以互相幫助。但如果沒有人為干預，它們永遠不會相遇。

就像一個樹木媒人一樣，一位林務員可以從低海拔地區的雲杉或北美喬松中採集種子，然後將它們種植在更高海拔的山坡上。隨著較高山坡上的溫度升高，遷移的樹木將生長並與其當地同類雜交，將其適應溫暖環境的基因傳播到整個區域，從而幫助森林進行調整。輔助基因流動可以為物種提供進化上的幫助。

但是，您不能簡單地從俄勒岡州取一棵樹，將其種植在 1000 英里外的不列顛哥倫比亞省北部，然後等待氣溫升高。您不能這樣做的原因是來自相同的區域性遺傳適應，這些適應性使基因流動的想法具有吸引力。例如，北美喬松在加拿大省份的大部分不同地區生長。它們的基因幫助一些樹木更好地耐受高溫或低溫或乾旱，或抵禦當地的疾病或害蟲。如果一股北極寒流穿過溫哥華，襲擊來自溫暖地區的移植樹木，它們將會受苦。“我們需要從嬰兒學步開始轉變這些事情，”艾特肯說。“未來幾十年預測的變化確實很大，但我們仍然有很多年復一年、周復一週、月復一月的變化，這些樹木必須生存下來。”

弄清楚如何將今天的種子與未來的氣候相匹配並非易事。但在不列顛哥倫比亞省，林業佔所有出口的三分之一，商業森林佔森林總面積的近一半，這至關重要。省法律要求在伐木後重新造林，以增加未來的木材供應和健康的生態系統。每年種植大約 2.5 億株幼苗。這些種子應該來自哪裡，以及它們可以或應該移動多遠，這是一個複雜且緊迫的問題。如果做錯了，您可能會使森林在未來幾十年內遭受厄運。

西特卡雲杉實驗涉及來自 14 個不同地點的樹木，範圍從加利福尼亞州中部到阿拉斯加，這是艾特肯為避免這種致命失誤而進行的一項小型概念驗證。該研究產生了 35 個與耐寒性和發芽時間相關的 DNA 片段。接下來，艾特肯和她的團隊篩選了更多的樹木基因組，以尋找負責與其他環境性狀相關的蛋白質的基因。透過檢查這些基因並將它們在物種之間（北美喬松和兩個品種的雲杉）進行比較，他們能夠表明，密切相關的物種以相似的方式使用相同的基因進行適應。他們希望這些基因的有益版本——稱為等位基因——能夠與氣候變化大致同步地在需要這些性狀的種群中傳播，從而使這些基因變得有用。

AdapTree 專案以及最近的 CoAdapTree 專案——後者著眼於另外三種針葉樹種——可以幫助為未來世界各地的輔助基因流動專案鋪平道路，這項工作反過來可以幫助其他關鍵的生態系統構建物種。該專案於 2016 年秋季啟動，不僅著眼於氣候適應，還著眼於兩種樹木疾病。“隨著氣候變暖，昆蟲和疾病的影響正在增加，”艾特肯說。這項工作由森林病理學家理查德·哈梅林共同領導，正在檢查樹木對疾病的反應以及病原體自身遺傳變異的方式。

艾特肯和大學動物學系的種群遺傳學家邁克爾·C·惠特洛克在 2013 年的一篇論文中創造了“輔助基因流動”一詞。在過去的十年中，科學家和自然資源保護主義者一直在爭論一個更宏大的想法，“輔助遷移”，這通常指的是將物種移動到更遠的距離，超出其自然分佈範圍。但在物種分佈範圍內的輔助基因流動是一種更穩妥的方法，其核心是遺傳嚴謹性。到 AdapTree 專案結束時，科學家們已經組裝了來自不列顛哥倫比亞省和艾伯塔省 250 多個種群的 12,000 棵北美喬松和雲杉樹的 DNA 序列資訊。

氣候帶

這些樹木已經感受到了氣候變化的影響。早在 20 世紀 70 年代，不列顛哥倫比亞省政府就製作了該省的氣候地圖，將其劃分為一系列生物氣候帶。這張地圖在加拿大西部森林規劃中使用了四十年，有助於管理哪些種子可以在哪裡種植。然而，今天，由於氣候變化，這張地圖幾乎四分之一已經過時。一些區域已經移動，另一些區域已經急劇減少。高海拔區域和一些內陸高原已經失去了大約一半的棲息地——到 2100 年可能會縮減 80% 以上。曾經在特定區域茁壯成長的樹木的種子今天可能甚至無法在那裡生長。區域可能會演變成與以前存在的生態系統從根本上不同的生態系統，儘管一個生態系統在“從根本上不同”之前需要多少變化尚不清楚且存在爭議。

特定種群是否能夠適應變化，部分取決於生物體的繁殖速度。每一代新生代都代表著獲得有用性狀的機會。因此，繁殖速度快的松樹甲蟲比壽命長、繁殖緩慢的樹木更有可能適應環境。一隻昆蟲在其一生中可能根本看不到任何變化。然而，一棵樹卻親眼目睹了全球變暖。

一片森林在生命的前 20 年風險最大。一旦樹木紮根，它們就會變得更加堅韌，“能夠堅持一段時間，”俄勒岡州科瓦利斯市美國林務局的研究遺傳學家布拉德·聖克萊爾說。但在全球變暖的時代，當地條件可能會在那關鍵的二十年中發生相當大的變化。

“如果你要將東西移到更高的海拔，以便它們適應未來的氣候，”聖克萊爾說，“那麼它們現在必須適應耐寒性。”換句話說，如果你現在將適應溫暖環境的樹木移到一個預計未來會變暖的區域，這些樹木可能會在短期內遇到麻煩，因為該區域今天仍然寒冷。

“我們有一個移動的目標，”艾特肯承認。“我們是想在樹苗時期就讓樹木與氣候最佳匹配？還是 10 歲？還是 30 歲？”管理風險的一種方法是增加多樣性——這可能意味著混合本地和非本地種子。“您不想在每公頃土地上都做同樣的事情。您不能圍繞單一的氣候變化情景進行規劃。”

輔助基因流動可能是增加森林遺傳多樣性的好方法，在其基因庫中撒上賦予樹木活力的成分。隨著環境的變化，一些樹木可能會在短期內遭受痛苦，但其他樹木將擁有可以幫助森林度過艱難時期的遺傳物質。“隨著那些更適合的個體繁殖得更多，”艾特肯說，“我們預計種群將開始再次擴張。”她說，關鍵要素是維持足夠數量的健康樹木進行交配和生存，同時適應過程展開。

艾特肯是一位狂熱的揹包客和野外滑雪者，她在不列顛哥倫比亞省中部的樹林中擁有一間小屋，她希望她的工作將有助於制定新的、更明智的森林政策。她認為，如果我們不開始實踐輔助基因流動，樹木種群可能會在其分佈範圍的最北部或最南部邊緣開始衰退。“樹木可能會長期存在，但它們可能會停止繁殖，”她說。“它們將在進化上完蛋。”她補充說，它們將變成“活死人之地”。更糟糕的是，它們會佔據幼苗迫切需要的空間和陽光。在分佈範圍的中間地帶，情況會稍微不那麼引人注目。但樹木可能仍然生長得更慢或難以生存。“這是否意味著那裡的種群就會滅絕？”艾特肯問道。“可能不會。種群內部存在很多變異。物種不會滅絕，但我認為同時你會看到非常不健康的森林。”不良的健康狀況會損害其他植物和動物，因為樹木是整個生態系統的基礎，提供食物和住所，調節水流並防止土壤侵蝕。

艾特肯說，在世界各地，“很少有人關注現有物種範圍內個體的移動。”生態風險低於移植真正外來的樹木，因為這些外來樹木即使可能具有一些理想的性狀，但它們並非已經是生態系統的一部分。

基因流動方法仍然存在風險。例如，它可能會新增實際上會損害較大種群生存機會的區域性基因變異。“存在引入不需要的等位基因的風險，”墨爾本大學的遺傳學家安德魯·威克斯說。但他補充說，這個問題可能會自行糾正。“這就是自然選擇的美妙之處，它將淘汰這些變異。透過增加基因庫，您正在為種群的未來提供最佳機會。”

不列顛哥倫比亞省的森林每年價值 100 億美元——並且提供諸如防止洪水和土壤侵蝕等重要服務——什麼都不做可能會造成更大的風險。不列顛哥倫比亞省已經看到了全球變暖對森林的影響。自 20 世紀 90 年代中期以來，與氣溫升高相關的甲蟲入侵和野火摧毀了數百萬英畝的森林，併吞噬了數百個家園。“我們在氣候變化方面已經收到了很多警鐘，”不列顛哥倫比亞省森林和林地部的研究科學家格雷戈裡·奧尼爾說。奧尼爾說，昆蟲和火災使該省的人民“非常意識到氣候變化——而且它不是未來某個抽象的東西，而是已經發生了。”

損失震動了省政府採取行動。2009 年，不列顛哥倫比亞省開始修訂其關於種子移動的規則。同年，奧尼爾開始了該省森林的輔助遷移試驗，希望確定林務員是否、在何處以及如何能夠在收穫後種植完全不同的物種。在加拿大和美國西部的 48 個地點——從懷特霍斯到薩克拉門託——研究人員種植了 15 種具有商業價值的樹木，將它們從其原產地範圍移出，在某些情況下，將它們遷移到數千英里之外。

奧尼爾說，極端遷移只是一種研究工具，一種提供樹木將如何生存的更好總體情況的方法。它並非旨在作為長距離遷移的指南。種植模式的任何實際變化都將是漸進的。“類似於‘不要將你的樹木向下坡移動’或‘不要將你的樹木向南移動’，”他說。每個站點都有一個氣象站，該研究將顯示幼苗的生長和存活與當地條件之間的關係。然後，奧尼爾說，科學家們將能夠預測樹木將如何應對氣候變化。

AdapTree 的基因分析提供了一種互補的方式來預測樹木將如何生存。這個龐大專案的研究人員仔細研究了來自內陸雲杉和北美喬松樹基因組中數百萬個位置的 DNA 序列。他們開發了一種快速篩選方法——類似於人類基因組篩選公司 23 And Me 使用的方法——該方法檢視大約 50,000 個短的遺傳密碼串，稱為單核苷酸多型性或 SNP。完成這項工作後，他們深入研究，正如艾特肯所說，試圖將注意力集中在將樹木與其原產地匹配的特定多型性上。

來自 AdapTree 的原始基因資料令人眼花繚亂。艾特肯指出，如果列印在 8½ 英寸 x 11 英寸紙張的雙面，堆疊起來至少有 90 英里高。而這只是資訊的一部分。研究人員現在正在研究當樹木遇到乾旱或高溫等壓力時，基因的實際功能——它們的指令是如何執行的。

未來的森林

在緯度向南幾度的地方，美國林務局的專家們開始權衡輔助基因流動的利弊。“我們目前的情況是大量的談論和討論，”聖克萊爾說。在美國，林務員歷來不關注他們收集和種植種子的區域內特定的氣候變化。在一個區域內移動種子似乎不會涉及足以影響植物健康的溫度變化。

現在，林務員普遍認為，他們需要更好地移動種子。只要人們一直在種植樹木，我們就一直在河流、村莊、大陸或海洋之間遷移種子。“如果你追溯到很久以前，人們過去經常四處遷移種子，而且你經常會得到失敗的種植園，因為人們不知道自己在做什麼，”俄勒岡州立大學的森林遺傳學家格倫·豪說。部分由於這些失敗，隨著時間的推移，林業界對風險產生了厭惡感。在美國西部，種子帶限制了種子種植的可移動距離，這些種子帶狹窄而保守。“這在靜態氣候中可能是合適的，”豪說。“但在氣候變化的情況下，非常保守的方法可能會成為問題。”

不列顛哥倫比亞省正在向前邁進。該省最近釋出了新的再造林指南，部分基於 AdapTree 的研究結果。去年，不列顛哥倫比亞省將種植大約 3 億株幼苗，以重新種植商業森林。截至 2018 年 4 月，這些指南是自願性的，目的是給公司時間來轉移其種子庫存，但在幾年內，它們將成為規則。

當然，輔助基因流動仍然存在更廣泛的挑戰。目前，研究人員需要說服資源管理者信任基因組資料，這是他們在實地無法親眼看到的東西。艾特肯說，觀點肯定在轉變，尤其是在物種範圍內移動東西的想法方面。“我不會說沒有阻力，但阻力不大，”她說。儘管如此，至關重要的是，所有這些核苷酸多型性和序列資料“轉化為林務員的詞彙，”艾特肯說。

因為最終所有這些 DNA 鏈都構成了活生生的、會呼吸的樹木——我們依賴它們來構建我們的人造環境和自然環境。為了在不斷變化的世界中茁壯成長，其中一些樹木可能需要擴充套件到新的領域。而要做到這一點，它們將需要我們的幫助。