WikiEdge:BioRxiv-2024.09.16.613311

• 標題：Adaptation to climate in the native and introduced ranges of a cosmopolitan plant
• 中文標題：一種廣泛分布的植物在本土和引入區域對氣候的適應
• 發布日期：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.
• 分類：evolutionary biology
• 原文鏈接：10.1101/2024.09.16.613311

摘要：氣候變化和全球入侵物種的擴散目前是全球生物多樣性面臨的兩大威脅。然而，適應性在生物對氣候變化的反應或在物種入侵中的作用仍然理解不足。我們進行了一項大規模的跨大陸共同花園實驗，以理解一種全球性植物在其原生和引入範圍內對氣候空間時間變化的適應性。我們從歐洲（原生地）和北美（引入地）的96個白三葉（Trifolium repens）種群中選取個體，種植在位於北歐（瑞典烏普薩拉）和南歐（法國蒙彼利埃），以及北美（加拿大密西沙加）和南美（美國路易斯安那州）的四個實驗共同花園中。我們在每個共同花園中記錄了植物的性和無性繁殖適應性，並評估植物是否最適應當地氣候，原生和引入範圍的本地適應性強度是否有所不同，以及種群是否顯示出對近期氣候變化的快速適應的證據。結果顯示，白三葉具有本地適應性，尤其是在緯度較低的地方，但是本地適應性的主要生物氣候驅動因素因緯度而異。我們還發現，只有當種群被移植到與其起源相同的範圍（原生或引入）的共同花園中時，才明顯表現出強烈的本地適應性，這表明在T. repens種群中，自其引入北美以來不到400年的時間裡，就已經出現了跨大緯度梯度的快速本地適應。然而，我們在引入範圍的北部共同花園中確實發現了一些適應滯後的證據，來自歷史上稍微溫暖氣候的植物表現出最大的適應性。這表明，儘管有證據表明白三葉種群對歷史氣候條件和引入後的快速本地適應，但白三葉種群的進化速度可能比氣候變化的速度慢。

問題與動機

作者面對的研究問題包括：

• 白車軸草（Trifolium repens）種群是否適應其原產地的氣候，並且這種適應性在不同地理位置是否有差異？
• 白車軸草在其原產地（歐洲）和引入地（北美）的適應性是否有差異？
• 在白車軸草的原產地和引入地，哪些生物氣候變量對適應性有最大影響？
• 白車軸草種群是否存在對氣候變化的適應滯後現象，即來自較溫暖和/或乾燥氣候的種群是否比當地種群具有更高的適應性？
• 氰化物生成和草食作用在推動白車軸草的本地適應中扮演什麼角色？

背景介紹

這篇文獻的背景主要集中在以下幾個方面：

• 氣候變化與生物入侵
  • 氣候變化和全球生物入侵是當前對全球生物多樣性構成最重大威脅的兩個因素。
  • 然而，適應性在生物對氣候變化的響應中的作用，或在促進物種入侵中的作用仍然不甚清楚。
• 本地適應與物種入侵
  • 本地適應是指自然選擇導致種群演化出對特定地點環境條件有利的性狀。
  • 空間環境的生物和非生物因素的變化導致基因型在不同環境中的相對適應度發生變化，這可能導致適應度權衡。
• 環境快速變化下的本地適應
  • 環境的快速變化可能導致之前適應環境的性狀變得不適應，如果適應速度趕不上環境變化速度，可能會降低種群的適應度。
• 生物入侵與快速本地適應
  • 快速適應可能有助於種群對氣候變化的響應，也可能有助於物種引入期間的建立和範圍擴張。
  • 入侵物種可能因為對新生物和非生物環境的快速本地適應而變得更加難以根除。
• 本地適應、物種引入和人為環境變化的相互作用
  • 研究本地適應在物種原生和引入範圍內的作用，以及闡明可能導致快速適應和入侵成功的環境條件，對於理解當前人為引起的生物多樣性危機至關重要。
• 植物-食草動物互作
  • 植物-食草動物互作可以作為同時研究本地適應、物種對環境變化的響應和生物入侵的焦點。
  • 食草動物群落通過對抗性較低的植物的偏好性取食，影響植物防禦的進化。

綜上所述，這篇文獻的背景強調了在氣候變化和生物入侵的背景下，研究植物的本地適應性、生物入侵和人為環境變化對生物多樣性的影響的重要性。

章節摘要

這篇論文是關於三葉草（Trifolium repens）在原生地和引入地對氣候變化的適應性研究，主要內容概括如下：

1. 背景與挑戰：論文討論了氣候變化和生物入侵對全球生物多樣性的威脅，並指出了對生物體適應氣候變化或促進物種入侵的理解仍然不足。
2. 研究目的：研究旨在通過跨大陸的共同花園實驗來理解三葉草對氣候時空變化的適應性，以及這種適應性在其原生地（歐洲）和引入地（北美）的表現。
3. 方法論：
   • 樣本收集：從歐洲和北美的96個三葉草種群中收集種子，並在四個實驗共同花園中種植。
   • 數據記錄：記錄了每個共同花園中植物的有性繁殖和無性繁殖適應性，並評估了植物是否最適應當地氣候。
   • 氣候變量分析：使用六個生物氣候變量來計算種群起源地和共同花園之間的氣候距離。
4. 實驗與結果：
   • 本地適應性：發現三葉草在低緯度地區表現出較強的本地適應性，且不同緯度下的主要生物氣候驅動因素不同。
   • 引入地適應性：在引入地的北部共同花園中發現了適應性滯後的跡象，歷史上氣候稍暖的地區的植物表現出最大的適應性。
5. 討論與結論：
   • 本地適應性：研究表明三葉草在引入地的適應性可能比氣候變化的速度慢，儘管有證據表明對歷史氣候條件有本地適應性。
   • 生物和非生物因素：討論了生物和非生物因素在推動本地適應性方面的作用，以及人為活動如何影響植物對生態條件的適應。

研究方法

這篇論文通過大規模跨大陸的共同花園實驗，探討了白車軸草（Trifolium repens）在原生地（歐洲）和引入地（北美）對氣候時空變異的適應性。以下是該研究方法論的主要組成部分：

1. 種群採樣與實驗設計：
   • 從白車軸草的96個種群中收集種子，這些種群分布在其原生地（歐洲）和引入地（北美）。
   • 在歐洲北部（瑞典烏普薩拉）和南部（法國蒙彼利埃），以及北美北部（加拿大密西沙加）和南部（美國路易斯安那）的四個實驗共同花園中種植個體。
   • 記錄每個共同花園中的植物的性繁殖和克隆適應性，並評估植物是否最適合當地氣候。
   • 分析了植物在原生地和引入地的適應強度是否存在差異，以及種群是否顯示出對近期氣候變化的快速適應跡象。
2. 分子標記與基因型分析：
   • 對存活的個體進行DNA提取，並通過低覆蓋率全基因組測序預測Ac/ac和Li/li等位基因的存在。
   • 分析了個體是否含有產生氫氰酸（HCN）的基因型。
3. 氣候變量與適應性分析：
   • 從WorldClim數據庫提取六個生物氣候變量，並進行主成分分析，以計算種群原產地與共同花園之間的氣候距離。
   • 使用氣候距離作為植物適應性的預測變量進行統計分析。
4. 統計分析：
   • 使用R軟件進行所有統計程序和分析，包括線性混合效應模型和方差分析。
   • 分析了種群的適應性是否因氣候距離而變化，以及這種適應性在不同緯度和不同大陸之間是否存在差異。
   • 探討了生物氣候變量作為個體適應性的驅動因素，並評估了氣候變暖對適應性的影響。
   • 分析了氰化物生成和草食作用在推動局部適應中的作用。
5. 結果解釋：
   • 發現白車軸草在低緯度地區表現出較強的局部適應性，而在高緯度地區適應性較弱。
   • 快速的局部適應有助於白車軸草在引入地的生態成功。
   • 氣候變暖導致了一些局部適應性減弱的證據。
   • 氰化物生成不是局部適應的主要驅動因素。

這篇論文的方法論分析結果表明，白車軸草在不同緯度和不同大陸的共同花園中的適應性存在顯著差異，且這種適應性受到生物氣候變量的強烈影響。

研究結論

根據提供的文獻內容，這篇論文的主要結論可以概括如下：

氰化物生成（cyanogenesis）並非白三葉草本地適應的主要驅動因素。

這些結論對於理解植物如何適應氣候變化以及生物入侵的成功具有重要意義。

術語表

這篇文章的術語表如下：

• 本地適應（Local adaptation）：自然選擇導致種群演化出對特定地點環境條件有利的特徵，這種現象稱為本地適應。
• 生態位（Ecological niche）：一個物種在生態系統中所處的位置，包括其對環境的適應、與其他生物的關係以及其在生物群落中的功能。
• 表型可塑性（Phenotypic plasticity）：生物體在不同環境條件下可以改變其表型的能力。
• 遺傳分化（Genetic differentiation）：不同種群之間基因頻率的差異，導致種群在遺傳上彼此不同。
• 氣候變異（Climatic variation）：指氣候在不同時間和空間上的變化，包括溫度、降水等氣候要素的波動。
• 生物地理分布Biogeographic distribution）：物種在地球表面的地理分布模式。
• 入侵物種Invasive species）：指在新的生態系統中，能夠快速繁殖並擴散，對當地生態系統造成損害的外來物種。
• 環境梯度（Environmental gradient）：指環境因子（如溫度、濕度、光照等）在空間或時間上的變化範圍。
• 適應滯後（Adaptation lag）：物種適應環境變化的速度落後於環境變化速度，導致適應性下降。
• 氣候追蹤（Climate tracking）：物種通過遷移或演化來適應氣候變化的過程。
• 生態位分化（Niche differentiation）：不同物種在生態系統中占據不同的生態位，以減少競爭。
• 基因流（Gene flow）：基因從一個種群轉移到另一個種群的過程。
• 遺傳多樣性（Genetic diversity）：一個種群中基因類型的多樣性，包括基因的存在和頻率。
• 自然選擇（Natural selection）：自然界中生物體的遺傳特徵在生存和繁殖方面的差異性優勢。
• 共同園實驗（Common garden experiment）：一種生態學實驗，將不同來源的植物種植在同一環境下，以研究環境和遺傳對植物性狀的影響。
• 生殖隔離（Reproductive isolation）：不同物種之間由於生殖行為或生理機制的差異而無法進行有效繁殖的現象。
• 生態適應（Ecological adaptation）：物種為了在特定環境中生存和繁衍後代而進行的生理、行為和形態上的適應。
• 種群遺傳學（Population genetics）：研究生種種群內基因頻率及其變化的遺傳學分支。
• 環境脅迫（Environmental stress）：環境因素對生物體造成的生理或心理壓力，可能導致生物體的適應性變化。
• 生態位構建（Niche construction）：生物體通過其行為和生理活動改變自身生活環境的過程。
• 遺傳漂變（Genetic drift）：種群基因頻率的隨機變化，通常發生在小種群中。
• 物種形成（Speciation）：新物種從現有物種中分化出來的過程。