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气候变化正在改变植物的进化方式。种子库可能也必须适应

花匠小妙招
2024-10-11 06:59

种子库对于保护生物多样性，和确保我们为未来提供食物至关重要。但种子库面临的是一个快速变化的世界。

野生芥菜或芜菁，是一种不起眼的植物，有几英尺高，在细长的绿色茎上长出一簇簇黄色的小花。它是与萝卜、纳帕卷心菜和白菜等农产品最接近的野生近缘种。在农田之外，由于人类的引进，世界各地都发现了这种植物的野生形态，这些自由生长的油菜品种也可以食用。这种植物很可能已经被人们种植、培育和食用了数千年。

但科学家们注意到，芥菜的种群最近发生了一些与人类有意繁殖无关的变化。2007年和2018年的两项研究，比较了在美国加州不同年份收集和储存的种子生长的芥菜植物。研究人员发现，该地区在严重干旱前后产生的种子发育成具有明显不同特征的植物。在其他变化中，干旱后收集的种子往往会长成更早开花的植物。

福特汉姆大学（Fordham University）的植物生态学家、参与芥菜研究的研究人员之一史蒂文·弗兰克斯（Steven Franks）认为，提前开花是植物的一种“逃离”策略。干旱会选择开花时间较早的植物，因为这些植物在干旱年份繁殖最成功。

通过研究野生芥菜的变化，史蒂文·弗兰克斯和他的合作研究人员实时记录了进化，这可能是为了应对人为引起的气候变化。气候变化正在增加美国西部干旱的频率和强度。今年早些时候的一项研究将西方目前 42% 的特大干旱归因于人为气候变化。

弗兰克斯还把野生芥菜的发现归功于运气。他说，“幸运的是，我们有了这些种子。”这些古老的、干旱前的种子，是研究人员以惊人的远见卓识收集起来的，并储存在种子库中。

实际上，我们有不同类型的种子库。有些项目，比如从野生芥菜研究中衍生出来的“基线项目（Project Baseline）”，是带着特定的研究目的创建的。另一些则是为了捕获各种珍稀或具有重要生态意义的野生植物，用于生物保护项目。此外，还有一些种子库吸引了媒体的广泛关注，比如斯瓦尔巴群岛全球种子库，它旨在通过储存农作物种子的备份及其近亲，来增强我们未来粮食供应的弹性。

“那东西不再是野生植物 …… 它不能像种群那样为了适应变化而进化。”

地球目前的状况（气候的变化、物种的入侵、污染、栖息地的破坏）使得每一种类型的种子库都是无价的。根据2019年的一项研究，我们失去植物物种的速度，是历史灭绝速度的500倍。由于极端天气、土壤枯竭和疾病等因素，许多地区的农业生产变得越来越困难。

种子库要做的不仅仅是分类。它们包含的所有存储的遗传信息都可以用来创造更好的作物，养活更多的人，或者让一种植物回到它的原生范围并恢复生态系统。但同样的条件也给种子库带来了挑战。一个本质上基于暂停生物钟的策略，如何确保它能跟上未来的步伐呢？如果气候变化和其他因素促使植物进化得更快，那么种子库是否也需要进化？

捕捉闪电

为了恢复目的而被保存在冰箱里的野生种子，它的进化过程与野生种子在地面上长成植物的过程不同，这一点在对野生芥菜的研究中很明显。经历过干旱的种子直接发生了变化。而被保存在种子库里的却没有。

内华达大学（University of Nevada）的植物生物学家伊丽莎白·莱格（Elizabeth Leger）表示：“种子库的努力是巨大的，但保护种子的最好办法是让它们留在原来的地方。”储存种子意味着，这些被隔离的植物不仅在字面上被冻结，而且在时间上被象征性地冻结。伊丽莎白·莱格说，它们“错过了适应温度、入侵植物或火灾的进化机会”。“这有好处，因为你拯救了一些东西。但缺点是，它不再是野生植物，它不能做种群进化，来应对变化的事情。”

植物生物学家伊丽莎白·莱格在自己的研究中亲眼目睹了这种变化。在2017年的一项研究中，她研究了干旱的大盆地的本土植物如何转变，以与入侵物种旱雀草竞争。当地的植物做的是能源密集型的事情，比如产生更多的种子，或者在旱雀草的地方更快地生长它们的根。而旱雀草通过自身的优势迫使本地植物更像入侵物种。如果本土植物想要生存下去，它们就必须在旱雀草的游戏中打败它。保存在远离旱雀草的地方的本地种子，是肯定不会像暴露在野外环境中的种子那样发育的。

这最初是植物适应和恢复能力的一个充满希望的迹象，但后来却变成了植物极限的写照。

很多专家都表示，这并不是放弃种子库的理由。相反，在保护自然栖息地的同时，我们还需要做更多的事情。从更多的地方、更频繁地收集到的种子越多，你就越有机会捕捉到有用的适应性快照。植物生物学家伊丽莎白·莱格说：“只有我们坚持下去，它才有价值。”

但是，仅仅因为一些植物理论上能够适应人类造成的变化，并不意味着所有物种或种群都能适应，或者进化足以避免灾难。

追逐变革

明尼苏达大学进化生物学家朱莉·埃特森（Julie Etterson）说：“我们对气候变化非常关注的一件事是物种的适应能力。” 作为“基线项目（Project Baseline）”的一部分，该项目是从野生芥菜研究中产生的种子库，致力于支持面对快速环境变化的当代植物进化研究。

进化生物学家朱莉·埃特森最早的一些学术研究关注的问题是，植物的进化速度是否能跟上气候的变化。通过这些工作，埃特森表示：“我只是接受了这样一个事实，我认为，一般来说，答案是否定的。”即使在植物确实表现出适应性特征的地方，一个物种数量的整体损失往往会让群落更容易崩溃。在埃特森看来，通过种子库进行保护的未来，不仅仅是让物种回到它们曾经的位置，而且是随着理想栖息地的变化，人们积极地将物种重新安置到合适的环境中。埃特森举了一个例子：“你知道，辅助迁徙，随着（气温上升）物种向北迁移。”

对这类工作的需求是显而易见的。植物已经被气候变化赶走了。在这两项野地芥菜研究中，一开始是植物适应性和韧性的希望迹象，后来变成了植物极限的写照。2007年的第一项研究比较了1994年和2004年在加州两个地方收集的种子（干旱前和干旱后）。研究人员确定，干旱后的白菜花开得更早，而且那些干旱后的植物生长得很好。在2018年的后续行动中，弗兰克斯和他的合作研究人员增加了2011年和2014年从相同地点收集的两代种子。他们还观察到了受干旱影响的植物较早开花的现象。

但在第二项研究中，科学家们注意到其他一些事情：从最近储存的种子中生长出来的植物已经失去了“适应性”。它们自己产生的种子更少，似乎也不太能茁壮成长。它们对干旱时期有一些适应，但在其他方面，它们的情况更糟，因为它们不得不做出改变。

研究人员假设，持续干旱的程度已经超过了这些植物能够承受的限度。与此同时，当地野生芥菜群落的数量减少，失去了遗传多样性，使得整个种群不太可能进化来应对下一个挑战。最终，野生芥菜的血统可能会完全消失。这种植物不是加州本土的，所以它并不是一个大规模的生物悲剧，但像这样的损失是专注于农作物的种子库的主要担忧。

未来的食物

注重食物的种子库竞相从世界各地的种群中收集独特的传家宝种子品种，或作物野生近缘种（如野生芥菜），然后再消失。他们的目标是保留足够的遗传多样性，以便培育出更具弹性的作物，甚至直接进行基因改造，以应对环境持续变化带来的压力。但农作物信托的高级科学家汉内斯·登佩沃尔夫（Hannes Dempewolf）说，气候变化正在加速，但种子收集正在放缓。农作物信托是联合国资助的非营利组织，正在帮助管理斯瓦尔巴全球种子库。

汉内斯·登佩沃尔夫说：“我认为我们离实现目标还很远。我们每天都在从农民的田地里失去很多多样性。我们几乎没有采取什么措施来阻止这种损失。”他说，虽然很难获得许可，但更困难的部分是资金和资源。

植物生物学家伊丽莎白·莱格指出，一次采集一个种群的野生种子之旅，可能要花费5000美元到1万美元。她表示：“费用真的很多。”这个过程有时需要长途跋涉，然后时机开始发挥作用：只有一两周的时间，可能根本就没有任何种子可供收集。

收集种子后，成本还会不断增加 —— 而不仅仅是保持低温的成本。 Dempewolf 解释说，种子库中最昂贵的部分通常是在种子变老后“种出”。种子会随着时间的流逝而失去活力，无论它们多么冷冻，因此保存在管理良好的种子库中的所有东西都受到密切监控，以查看它的老化程度。

种子收集起来之后，成本不断增加——这不仅仅是冷藏的成本。汉内斯·登佩沃尔夫解释说，种子库最昂贵的部分往往是在种子老化后将它们“培育出来”。无论冷冻程度如何，种子都会随着时间的推移而丧失生存能力，因此，保存在管理良好的种子库中的每一样东西都会受到密切的监控，以观察它们如何优雅地老化。

如果一批种子的样本开始未能通过发芽测试，种子库将种植整个样本，并从中收集新的新鲜种子。这个过程需要大量的土地和大量的工作。这些植物在生长过程中被隔离，以努力保持原始收藏的遗传完整性。种子库甚至必须提供自己的授粉器来让下一代继续前进。尽管如此，这是一个不完美的过程。一些最初的遗传多样性不可避免地会丢失。在近亲繁殖开始成为障碍之前，物种只能生长出几次。你储存的种子越多，你就需要准备种植更多的植物。

成本和不完美都证明了一个重要的点：种子不应该在时间上冻结。种子库是一个有用的工具，但它不能成为未来粮食或生物多样性的唯一工具。

我们需要更多的种子库，而种子库需要更多的资源，但我们也需要保持自然状态的土地。而且，最重要的是，如果我们想要保证一个充满各种植物群落的翠绿、可行的星球，我们就需要尽最大努力缓解气候变化。人类需要放慢速度，这样其他生物才能跟上。

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