基礎物種:鰻草如何遍布全球
鰻草由淡水植物進化而來,利用陽光和二氧化碳(CO2)進行光合作用。它們能在水深達50 米(165 英尺)的地方生長。與藻類不同,它們擁有生長在沙質或泥質沉積物中的根和根莖。像草一樣的葉狀枝會開花,並完全在水下完成生命週期。種子具有負浮力,但結籽的嫩枝可以漂浮,從而大大增加了在海洋尺度上的傳播距離。
作為基礎物種,鰻草為多種生物群落提供了重要的淺水生境,並為生態系統提供了多種服務,包括碳吸收。鰻草最近被認為是對海洋碳儲存做出重要貢獻的自然物種之一。海草草甸下的沉積物每年固碳量是陸地森林根部固碳量的30 到50 倍。然而,包括鰻草在內的海草床在全球範圍內的不斷消失是一個令人嚴重關切的問題。
在基爾亥姆霍茲海洋研究中心(GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel)海洋生態研究部主任托斯滕-羅伊施(Thorsten Reusch)教授的協調下,一個國際研究小組利用來自200 個個體和16 個地點的完整核基因組和葉綠體基因組,重建並確定了鰻草Zostera marina 從西北太平洋起源到太平洋、大西洋和地中海的殖民歷史。7月20日,科學雜誌《自然-植物》(Nature Plants)發表了一份經同行評審的出版物和一份研究簡報,其中描述的研究結果提出了一個問題:”鰻草對我們迅速變化的新氣候的適應能力如何?
科學家們利用系統發生學方法確定了這種植物最初從西向東橫跨太平洋至少經歷了兩次殖民事件,過程中可能得到了北太平洋洋流的支持。然後,科學家們應用兩個DNA”分子鐘”–一個基於核基因組,另一個基於葉綠體基因組–推斷出鰻草種群分化成新種群的時間。DNA 變異率是根據種群中發生的古老的全基因組複製進行計算和校準的。
追踪鰻草的遷移模式
核基因組和葉綠體基因組都顯示,大約24.3 萬年前,鰻草通過加拿大北極地區向大西洋擴散。這比預期的時間要短得多–幾千年而不是幾百萬年,就像大約350 萬年前北極大交換期間大多數大西洋移民物種的情況一樣。
羅伊施解釋說:”因此,我們必須假定,在此之前大西洋不存在以鰻草為主的生態系統–生物多樣性和碳儲存的熱點。對相關動物群落的分析也反映了時間的推移,與太平洋的鰻草草甸相比,大西洋的特化動物要少得多。這表明,動物與植物共同進化的時間較短。”
地中海種群是在大約4.4萬年前從大西洋建立起來的,並在末次冰川極盛時期存活了下來。相比之下,今天大西洋西部和東部沿岸的種群只是在距今約1.9萬年前的末次冰川極盛期之後才從避難地(重新)擴展開來,而且主要是在灣流的幫助下從美洲東海岸擴展而來。
基因組多樣性與未來關注
此外,研究人員還證實,太平洋和大西洋的鰻草種群在基因組多樣性方面存在顯著差異,包括北部種群基因多樣性減少的緯度梯度。
博士後科學家於磊總結說:”大西洋種群與太平洋種群相比,北部種群與南部種群相比,在遺傳水平上都比其祖先的多樣性低,多樣性最高的種群與多樣性最低的種群之間相差35倍。這是由於過去的冰河時期造成的瓶頸,這讓人擔心大西洋的鰻草能否在遺傳能力的基礎上適應氣候變化和其他環境壓力因素。”
“海洋變暖已經造成了南部分佈界限海草草甸的損失,特別是北卡羅來納州和葡萄牙南部。此外,熱浪也導致分佈區北部一些淺水區的海草減少。”這不是一個好消息,因為海草草甸形成了多樣化和富饒的生態系統,如果草甸不能在未來的條件下持續存在,就沒有其他物種能夠替代鰻草的作用。
潛在解決方案和未來研究
“恢復的一種可能是藉用太平洋鰻草的一些遺傳多樣性來加強大西洋的多樣性。我們的下一步工作是研究鰻草的基因組。”格羅寧根大學名譽教授讓娜-奧爾森(Jeanine Olsen)教授說:”來自太平洋鰻草的新參考基因組目前正在開發中,它應該能告訴我們更多關於鰻草在其全球棲息地範圍內適應生態型能力的信息。因此,關於快速適應的結論已經出爐,但我們有理由保持樂觀。”