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作者:卜叶 来源:中国科学报 发布时间:2019/12/7 15:07:06
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气候变化下的植树造林方案

位于陕西省黄陵县轩辕庙院内的黄帝手植柏 毛建丰课题组供图

位于陕西省黄陵县轩辕庙院内的黄帝手植柏 毛建丰课题组供图

研究团队部分成员 毛建丰课题组供图

研究团队部分成员 毛建丰课题组供图

气候变化深刻影响着森林、草原等生态系统。森林作为陆地生态系统的主体,成为研究界的重点关注对象。气候变化究竟会对森林造成怎样的影响呢?

北京林业大学林木分子设计育种高精尖创新中心副教授毛建丰告诉《中国科学报》,气候变化对森林的潜在影响是巨大的,森林可能在数年间由于不适合气候变化带来的病虫害而被彻底毁灭,变化的气候也会像温水煮青蛙一样“折磨”着植物。

近日,毛建丰课题组基于基因组信息、人工智能算法建立了林木响应未来气候变化的基因组模型。研究人员以我国北方重要的生态造林树种侧柏为研究对象,建立了侧柏种群响应未来气候变化的基因组响应模型,该模式有望对气候变化下的森林养护、种植提供建议。相关研究结果发表于《进化应用》。

忍耐气候变化的树木

当前,全球处在快速的气候变化中。这种气候变化主要特征是温度升高、降水不均衡、极端天气状况增多等。糟糕的是,树木适应性转变的速度远远慢于气候变化的速度。

 “气候变化下,森林树木可能有三种命运,要么通过自身的能力,适应变动后的新气候环境;要么循着气候变化趋势,迁移到自己适应的环境下;要么在不利的气候条件下,衰退进而灭绝。”该论文通讯作者毛建丰说。

毛建丰补充,气候变化的影响也可能是间接的,一个极端情况是气候变化导致极度干旱进而形成频发的森林大火,大火可能在瞬间毁灭大面积的森林。

一旦,全球森林生态系统崩溃,整个陆地生态系统将受到威胁,建立有效的森林应对气候变化的策略是目前国际林业界广泛关注的重要课题。国际林联(IUFRO)就曾成立专门机构协调和组织各国森林应对气候变化项目,倡导积极应对策略,推广相关技术措施。

毛建丰表示,建立有效应对气候变化策略,首要任务是明确气候变化对森林的影响,弄清楚树木如何响应未来的气候条件。

“了解树木如何响应未来气候的机制后,人类就可以找到那些受影响最为严重的林区,进而,采取恰当的病虫害防控、遗传选育或森林管理措施,监控森林生态系统是否稳定,或者采取恰当的方式对森林进行抚育管理。

选择“长寿树”进行研究

森林中树木的种类多不胜数,选择什么树种进行研究呢?“侧柏”首先跳进课题组研究人员的脑海中。

侧柏耐干旱、瘠薄、抗盐碱,具有显著的抗逆性,是我国北方石质山地、干旱区造林绿化的首选树种,尤其是在黄河中下游水土保持、生态修复中具有不可替代的利用潜力。

该论文共同第一作者、北京林业大学博士生贾凯华表示,侧柏是一种寿命长的树种,百年以上的侧柏随处可见,陕西黄陵县的“轩辕黄帝手植柏”,距今已有5000年的历史。但随着证明气候变化对森林的影响的证据逐渐增多,侧柏的长寿可能将被打破。

几十年来,北京林业大学联合国内国际研究力量围绕侧柏的生物学特性、遗传机制、良种选育、生态效能、造林利用等多方面开展了深入研究。在遗传选育方面,目前初步完成了全国侧柏遗传资源收集,开展了优良种源和家系选择。然而,选育出的侧柏并不一定能适应全国不同地域的生态环境。

贾凯华介绍,树木往往具有局地适应性。不同地理区域的同一树种,它们的适应性特征是不同,往往当地生长的乡土树木对其原生境环境有最好的适应性。局地适应性在森林树种中普遍存在。

毛建丰表示,基因组承载着物种遗传变异的密码。通过基因组信息,人类可以获取和树木适应性变异相关的遗传密码,精确的评估各地树木适应性特征和未来响应模式,从而建立侧柏应对气候变化的利用策略。

为此,研究人员开展了全分布区水平的群体取样,利用简化基因组测序技术获得了侧柏基因组高质量遗传变异信息,基于这些信息澄清了不同地理区域侧柏遗传变异格局,检测到了和侧柏局地适应性相关的基因组特征。这为后续建立响应未来气候的预测模型做了必要的准备。

建立梯度森林模型

要预测树木如何响应未来气候,研究人员找来一个好帮手——人工智能算法。针对未来气候变化对林木种群影响的问题,研究人员研发出“梯度森林 (Gradient Forests)”模型。

该论文共同第一作者、北京林业大学博士后赵伟举例,这一过程类似人工智能算法预测预测人类疾病发生潜在风险的过程。通过人类基因组信息,人工智能算法可以准确的找到和疾病相关的遗传变异。

研究人员基于树木普遍具有局地适应性这一前提,获取各地侧柏基因组信息,通过人工智能算法建立树木遗传变异与气候间的对应关系,进而利用该模型预测特定未来气候条件下树木响应模式。

“该模型具有良好的预测能力。利用该模型,研究人员识别到在未来气候变化情景下,不同地理种群的侧柏响应气候变化的空间模式,为建立气候变化下侧柏种质资源利用策略提供了参考。” 赵伟说。

具体来说,作为抗逆性较突出的树种,未来气候条件下侧柏种群相对稳定,中心分布区受影响不大,在分布区南北边缘的群体受到的潜在胁迫较大,需要加强管控。

赵伟表示,该研究是林木气候变化基因组模型的重要尝试,该模型策略可以用于包括树木在内的其它物种,服务于森林经营、生物多样性保护等。根据该模型,人类可以提前了解到哪些品种的侧柏可能更适应变化后的环境,选育最合适种质资源进行造林。

“全球变暖的趋势下,以前适合南方种植的侧柏品种可能会更适合北方种植,到底是不是这样,模型将提前告诉人类答案。”赵伟说。

此外,类似模型策略经过改进可以用于农业领域,为特定未来气候条件选取最适合的品种进行推广种植,减少由于气候条件不适合导致的减产。 

相关论文信息:https://doi.org/10.1111/eva.12891

 
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