WikiEdge:BioRxiv-2024.09.16.613311

• 标题：Adaptation to climate in the native and introduced ranges of a cosmopolitan plant
• 中文标题：一种广泛分布的植物在本土和引入区域对气候的适应
• 发布日期：2024-09-19
• 作者：Albano, L. J.; Bastias, C. C.; Estarague, A.; Hendrickson, B. T.; Innes, S. G.; King, N.; Patterson, C. M.; Tudoran, A.; Vasseur, F.; Puentes, A.; Violle, C.; Kooyers, N. J.; Johnson, M. T.
• 分类：evolutionary biology
• 原文链接：10.1101/2024.09.16.613311

摘要：气候变化和全球入侵物种的扩散目前是全球生物多样性面临的两大威胁。然而，适应性在生物对气候变化的反应或在物种入侵中的作用仍然理解不足。我们进行了一项大规模的跨大陆共同花园实验，以理解一种全球性植物在其原生和引入范围内对气候空间时间变化的适应性。我们从欧洲（原生地）和北美（引入地）的96个白三叶（Trifolium repens）种群中选取个体，种植在位于北欧（瑞典乌普萨拉）和南欧（法国蒙彼利埃），以及北美（加拿大密西沙加）和南美（美国路易斯安那州）的四个实验共同花园中。我们在每个共同花园中记录了植物的性和无性繁殖适应性，并评估植物是否最适应当地气候，原生和引入范围的本地适应性强度是否有所不同，以及种群是否显示出对近期气候变化的快速适应的证据。结果显示，白三叶具有本地适应性，尤其是在纬度较低的地方，但是本地适应性的主要生物气候驱动因素因纬度而异。我们还发现，只有当种群被移植到与其起源相同的范围（原生或引入）的共同花园中时，才明显表现出强烈的本地适应性，这表明在T. repens种群中，自其引入北美以来不到400年的时间里，就已经出现了跨大纬度梯度的快速本地适应。然而，我们在引入范围的北部共同花园中确实发现了一些适应滞后的证据，来自历史上稍微温暖气候的植物表现出最大的适应性。这表明，尽管有证据表明白三叶种群对历史气候条件和引入后的快速本地适应，但白三叶种群的进化速度可能比气候变化的速度慢。

问题与动机

作者面对的研究问题包括：

• 白车轴草（Trifolium repens）种群是否适应其原产地的气候，并且这种适应性在不同地理位置是否有差异？
• 白车轴草在其原产地（欧洲）和引入地（北美）的适应性是否有差异？
• 在白车轴草的原产地和引入地，哪些生物气候变量对适应性有最大影响？
• 白车轴草种群是否存在对气候变化的适应滞后现象，即来自较温暖和/或干燥气候的种群是否比当地种群具有更高的适应性？
• 氰化物生成和草食作用在推动白车轴草的本地适应中扮演什么角色？

背景介绍

这篇文献的背景主要集中在以下几个方面：

• 气候变化与生物入侵
  • 气候变化和全球生物入侵是当前对全球生物多样性构成最重大威胁的两个因素。
  • 然而，适应性在生物对气候变化的响应中的作用，或在促进物种入侵中的作用仍然不甚清楚。
• 本地适应与物种入侵
  • 本地适应是指自然选择导致种群演化出对特定地点环境条件有利的性状。
  • 空间环境的生物和非生物因素的变化导致基因型在不同环境中的相对适应度发生变化，这可能导致适应度权衡。
• 环境快速变化下的本地适应
  • 环境的快速变化可能导致之前适应环境的性状变得不适应，如果适应速度赶不上环境变化速度，可能会降低种群的适应度。
• 生物入侵与快速本地适应
  • 快速适应可能有助于种群对气候变化的响应，也可能有助于物种引入期间的建立和范围扩张。
  • 入侵物种可能因为对新生物和非生物环境的快速本地适应而变得更加难以根除。
• 本地适应、物种引入和人为环境变化的相互作用
  • 研究本地适应在物种原生和引入范围内的作用，以及阐明可能导致快速适应和入侵成功的环境条件，对于理解当前人为引起的生物多样性危机至关重要。
• 植物-食草动物互作
  • 植物-食草动物互作可以作为同时研究本地适应、物种对环境变化的响应和生物入侵的焦点。
  • 食草动物群落通过对抗性较低的植物的偏好性取食，影响植物防御的进化。

综上所述，这篇文献的背景强调了在气候变化和生物入侵的背景下，研究植物的本地适应性、生物入侵和人为环境变化对生物多样性的影响的重要性。

章节摘要

这篇论文是关于三叶草（Trifolium repens）在原生地和引入地对气候变化的适应性研究，主要内容概括如下：

1. 背景与挑战：论文讨论了气候变化和生物入侵对全球生物多样性的威胁，并指出了对生物体适应气候变化或促进物种入侵的理解仍然不足。
2. 研究目的：研究旨在通过跨大陆的共同花园实验来理解三叶草对气候时空变化的适应性，以及这种适应性在其原生地（欧洲）和引入地（北美）的表现。
3. 方法论：
   • 样本收集：从欧洲和北美的96个三叶草种群中收集种子，并在四个实验共同花园中种植。
   • 数据记录：记录了每个共同花园中植物的有性繁殖和无性繁殖适应性，并评估了植物是否最适应当地气候。
   • 气候变量分析：使用六个生物气候变量来计算种群起源地和共同花园之间的气候距离。
4. 实验与结果：
   • 本地适应性：发现三叶草在低纬度地区表现出较强的本地适应性，且不同纬度下的主要生物气候驱动因素不同。
   • 引入地适应性：在引入地的北部共同花园中发现了适应性滞后的迹象，历史上气候稍暖的地区的植物表现出最大的适应性。
5. 讨论与结论：
   • 本地适应性：研究表明三叶草在引入地的适应性可能比气候变化的速度慢，尽管有证据表明对历史气候条件有本地适应性。
   • 生物和非生物因素：讨论了生物和非生物因素在推动本地适应性方面的作用，以及人为活动如何影响植物对生态条件的适应。

研究方法

这篇论文通过大规模跨大陆的共同花园实验，探讨了白车轴草（Trifolium repens）在原生地（欧洲）和引入地（北美）对气候时空变异的适应性。以下是该研究方法论的主要组成部分：

1. 种群采样与实验设计：
   • 从白车轴草的96个种群中收集种子，这些种群分布在其原生地（欧洲）和引入地（北美）。
   • 在欧洲北部（瑞典乌普萨拉）和南部（法国蒙彼利埃），以及北美北部（加拿大密西沙加）和南部（美国路易斯安那）的四个实验共同花园中种植个体。
   • 记录每个共同花园中的植物的性繁殖和克隆适应性，并评估植物是否最适合当地气候。
   • 分析了植物在原生地和引入地的适应强度是否存在差异，以及种群是否显示出对近期气候变化的快速适应迹象。
2. 分子标记与基因型分析：
   • 对存活的个体进行DNA提取，并通过低覆盖率全基因组测序预测Ac/ac和Li/li等位基因的存在。
   • 分析了个体是否含有产生氢氰酸（HCN）的基因型。
3. 气候变量与适应性分析：
   • 从WorldClim数据库提取六个生物气候变量，并进行主成分分析，以计算种群原产地与共同花园之间的气候距离。
   • 使用气候距离作为植物适应性的预测变量进行统计分析。
4. 统计分析：
   • 使用R软件进行所有统计程序和分析，包括线性混合效应模型和方差分析。
   • 分析了种群的适应性是否因气候距离而变化，以及这种适应性在不同纬度和不同大陆之间是否存在差异。
   • 探讨了生物气候变量作为个体适应性的驱动因素，并评估了气候变暖对适应性的影响。
   • 分析了氰化物生成和草食作用在推动局部适应中的作用。
5. 结果解释：
   • 发现白车轴草在低纬度地区表现出较强的局部适应性，而在高纬度地区适应性较弱。
   • 快速的局部适应有助于白车轴草在引入地的生态成功。
   • 气候变暖导致了一些局部适应性减弱的证据。
   • 氰化物生成不是局部适应的主要驱动因素。

这篇论文的方法论分析结果表明，白车轴草在不同纬度和不同大陆的共同花园中的适应性存在显著差异，且这种适应性受到生物气候变量的强烈影响。

研究结论

根据提供的文献内容，这篇论文的主要结论可以概括如下：

氰化物生成（cyanogenesis）并非白三叶草本地适应的主要驱动因素。

这些结论对于理解植物如何适应气候变化以及生物入侵的成功具有重要意义。

术语表

这篇文章的术语表如下：

• Local adaptation：自然选择导致种群演化出对特定地点环境条件有利的特征，这种现象称为本地适应。
• Ecological niche：一个物种在生态系统中所处的位置，包括其对环境的适应、与其他生物的关系以及其在生物群落中的功能。
• Phenotypic plasticity：生物体在不同环境条件下可以改变其表型的能力。
• Genetic differentiation：不同种群之间基因频率的差异，导致种群在遗传上彼此不同。
• Climatic variation：指气候在不同时间和空间上的变化，包括温度、降水等气候要素的波动。
• Biogeographic distribution：物种在地球表面的地理分布模式。
• Invasive species：指在新的生态系统中，能够快速繁殖并扩散，对当地生态系统造成损害的外来物种。
• Environmental gradient：指环境因子（如温度、湿度、光照等）在空间或时间上的变化范围。
• Adaptation lag：物种适应环境变化的速度落后于环境变化速度，导致适应性下降。
• Climate tracking：物种通过迁移或演化来适应气候变化的过程。
• Niche differentiation：不同物种在生态系统中占据不同的生态位，以减少竞争。
• Gene flow：基因从一个种群转移到另一个种群的过程。
• Genetic diversity：一个种群中基因类型的多样性，包括基因的存在和频率。
• Natural selection：自然界中生物体的遗传特征在生存和繁殖方面的差异性优势。
• Common garden experiment：一种生态学实验，将不同来源的植物种植在同一环境下，以研究环境和遗传对植物性状的影响。
• Reproductive isolation：不同物种之间由于生殖行为或生理机制的差异而无法进行有效繁殖的现象。
• Ecological adaptation：物种为了在特定环境中生存和繁衍后代而进行的生理、行为和形态上的适应。
• Population genetics：研究生种种群内基因频率及其变化的遗传学分支。
• Environmental stress：环境因素对生物体造成的生理或心理压力，可能导致生物体的适应性变化。
• Niche construction：生物体通过其行为和生理活动改变自身生活环境的过程。
• Genetic drift：种群基因频率的随机变化，通常发生在小种群中。
• Speciation：新物种从现有物种中分化出来的过程。