探秘森林草本植物遗传密码:70 年农业景观变迁下的时间滞后之谜

《Landscape Ecology》:Variable time lags in genetic response of three temperate forest herbs to 70 years of agricultural landscape change

【字体: 时间:2025年04月13日 来源:Landscape Ecology 4

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  为探究物种生殖性状和种群遗传测量在物种遗传响应时间滞后中的作用,研究人员对欧洲温带地区 3 种森林草本植物(银莲花 Anemone nemorosa、酢浆草 Oxalis acetosella 和玉竹 Polygonatum multiflorum )展开研究。结果发现物种对景观变化的遗传响应存在时间滞后且各不相同,该研究为理解景观变化对物种遗传结构的影响提供重要依据。

  过去几十年间,人类活动尤其是农业发展,深刻改变了自然景观,这对野生动植物的生存构成了严重威胁。在众多影响中,景观变化对种群遗传结构的影响不容小觑。景观干扰会导致种群规模缩小、扩散受限以及遗传交换受阻,这些都是维持稳定种群遗传结构和种群长期生存的关键因素。而且,景观的演变往往快于种群遗传结构的变化,这种时间滞后现象若被忽视,可能会使人们对当前景观在塑造种群遗传结构中的作用产生误解,进而误导保护管理决策。目前,对于物种生殖性状和不同种群遗传测量在时间滞后中的具体作用,人们了解得还十分有限。在此背景下,来自德国莱布尼茨农业景观研究中心(Leibniz Centre for Agricultural Landscape Research, ZALF)等多个机构的研究人员开展了相关研究,其成果发表在《Landscape Ecology》上。
研究人员选取了 3 种常见的多年生温带森林草本植物:银莲花(Anemone nemorosa)、酢浆草(Oxalis acetosella)和玉竹(Polygonatum multiflorum),它们都是生长缓慢的森林专性植物,但在生殖性状上存在差异。研究的主要技术方法包括:在德国西部、东部和瑞典南部的 3 个 5km×5km 景观窗口内,对每个物种选取 6 个至少有 100 年历史的种群,采集叶片样本并提取 DNA,基于核微卫星标记进行基因分型;利用历史航拍照片确定种群年龄和景观变化;通过计算等位基因丰富度()、观察杂合度()、等遗传指标衡量种群遗传多样性和分化;运用线性混合效应模型(LMMs)分析过去和当代景观组成对种群遗传模式的影响。

景观变化情况


自 20 世纪中期以来,集约化农业用地(如耕地和集约化草地)一直是主要土地利用类型,但呈略微下降趋势。半自然草地(SEMGRASS)在德国东部减少,在瑞典增加;森林覆盖在三个景观窗口均有所增加;半自然植被(SEMVEG)趋于增加,传统果园(ORCHARD)减少。线性景观元素总长度总体增加,主要源于木质元素(LWOOD)。1900 年代中期到 1985 年间,土地利用类型的相对变化最为显著。

时间滞后研究结果


  1. 遗传多样性:对于玉竹( multiflorum),纳入 2000 年和 1985 年景观指标的模型对解释效果更好,时间滞后为 35 年;酢浆草( acetosella )用 2000 年景观指标解释的模型最佳,时间滞后 20 年;银莲花( nemorosa )纳入过去景观指标对解释改善不明显,但解释时,时间滞后为 35 年。
  2. 遗传分化:对于酢浆草,纳入过去景观指标的模型对解释更好,时间滞后为 20 年;而银莲花和玉竹用这些指标未检测到时间滞后信号。

过去景观对遗传多样性和分化的影响


半自然草地、传统果园、土地利用类型的香农多样性指数(SHANNO)、木质元素和半自然植被等景观指标,对解释种群遗传多样性和分化有显著的过去效应。

研究结论和讨论部分指出,研究发现时间滞后多在 35 年以内,这表明长寿森林草本植物种群结构对景观变化的反应可能相对较快,但银莲花和玉竹的时间滞后可能超出研究时间范围。不同物种和遗传测量方法检测到的时间滞后和历史景观效应存在差异,部分支持了世代时间短的物种时间滞后短、杂合度时间滞后比等位基因丰富度长的假设,但仍需进一步研究时间尺度的差异。此外,半自然景观元素对森林草本植物种群遗传多样性和分化的影响比集约化农业景观元素更持久。该研究强调了农业景观的历史维度对野生种群遗传模式的持续塑造作用,对有效保护规划具有重要意义,为后续研究景观变化与物种遗传响应提供了重要参考 。

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