【Science重磅】打破认知！植物单个基因就可影响物种多样性

Science杂志在线发表了来自苏黎世大学Matthew A. Barbour等人为“A keystone gene underlies the persistence of an experimental food web”的研究论文，该研究通过实验测试了三种植物防御基因对昆虫食物网持久性的影响，发现单个基因上的单个等位基因通过提高植物生长速率来促进共存，这反过来又提高了多个物种的内在生长速率。这种“关键基因”的发现表明，需要在从基因到生态系统的生物尺度之间架起桥梁，以了解群落的持久性。该文的实验很简单，但是思路很巧妙！值得我们学习。

基因及其等位基因是种群持续存在的基础，但它们对生态群落的影响仍不清楚。越来越多的证据表明，遗传进化可以迅速发生，足以影响种群和群落的生态动态。为了更好地预测生态系统的未来，有必要了解物种内的进化变化如何通过称为“生态进化动力学”的过程影响生态变化并与生态变化相互作用。

该研究为了研究群落水平效应的遗传基础，构建了一个实验性食物网，其中包括一个捕食者（一种攻击蚜虫的寄生蜂 Diaeretiella rapae）、两种食草动物（两种以植物为食的蚜虫 Brevicoryne brasicae和Lipaphis erysimi）和拟南芥植物。之后研究选择了拟南芥中的三个基因（MAM1、AOP2和GSOH）），这些基因在野外表现出自然变异。而选择这些基因是因为它们控制植物合成食草动物抗性的化学物（脂肪族硫代葡萄糖苷）的途径中起作用。见下图：

研究结果表明，实验群落中的食草动物和捕食者更有可能在 AOP2 的单一基因突变的植物上生存。AOP2 的这种自然突变不仅影响了植物的化学性质，还使植物生长得更快，从而帮助食草动物和捕食者共存，防止生态系统崩溃。因此，AOP2是一个对生态动力学有强烈影响的关键基因 。之后该研究把该结果与生态模型相结合，以阐明观察到的AOP2对食物网动态影响的机制。研究分析表明，该基因通过改变物种的内在生长速率来影响物种生存，从而使寄生蜂和优势蚜虫物种共存。

综上所述，该研究对关键基因的发现可能会对如何在不断变化的世界中保护生物多样性产生影响。特别是，在预测基因变化对跨尺度生物多样性持久性的影响时，应包括来自遗传学和生态网络的知识。可以将具有不同基因变体甚至转基因生物的个体添加到现有种群中，以培育更加多样化和有弹性的生态系统。然而，如果不首先进行详细研究，一个看似很小的基因变化可能会对生态系统产生一连串意想不到的后果。

此外，未来结合生态学、遗传学和数学建模等学科的进一步研究可能会激发生态进化动力学领域的活力。尽管简单的系统是此类工作的有力和有用的起点，但由于生态和进化过程之间和内部的相互作用和反馈，以及复杂的群落和性状遗传学，大多数生态进化系统都更加复杂。必须解开生态进化系统的这种复杂性，以阐明这些动态是渐进的还是突然的，以及动态如何通过生态系统中的临界点来表征。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf2232

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo3575

转自：“iPlants”微信公众号

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