一樹不成林，千樹方為森：豐富遺傳多樣性種植的智慧

出品：科普中國(guó)

作者：Jiri Hulcr（佛羅里達(dá)大學(xué)），董乙乂（佛羅里達(dá)大學(xué)）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

2013年，上海苗圃的北美楓香發(fā)生了大規(guī)模死亡事件。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，罪魁禍?zhǔn)资且粋€(gè)新物種——楓香刺小蠹（dù）。這一事件很好地反映了一個(gè)事實(shí)：相比于遺傳組成更復(fù)雜的植物，具有單一遺傳組成的植物更容易遭受病蟲害的侵?jǐn)_。

北美楓香

（圖片來(lái)源：澎湃新聞）

遺傳多樣性：植物應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的關(guān)鍵

遺傳多樣性是植物應(yīng)對(duì)病蟲害的關(guān)鍵，它也是生物多樣性的基礎(chǔ)。大家都知道世界上沒(méi)有完全一模一樣的兩個(gè)人。這是因?yàn)榻M成每個(gè)人的DNA不完全相同。即便是同卵雙生的雙胞胎也不可能有完全相同的外貌（生物學(xué)上一般稱為表型）。

我們可以簡(jiǎn)單地把DNA的不同理解為遺傳多樣性。遺傳多樣性是指同一物種內(nèi)的個(gè)體之間在基因水平上的差異（物種間的不同被稱為生物多樣性）。這種差異決定了植物形態(tài)、顏色以及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性方面的表現(xiàn)，如抗旱、抗寒、耐熱和抗病蟲害能力。

高水平的遺傳多樣性使得不同的個(gè)體面對(duì)環(huán)境有不同的響應(yīng)能力。有些個(gè)體面對(duì)挑戰(zhàn)不能幸存，但有些個(gè)體卻可以，這確保了整個(gè)群體的生存與繁衍。例如，在同一種松樹中，有的個(gè)體可能比其他個(gè)體更能耐受干旱條件，或者對(duì)某種病害具有更高的抗性。類似的現(xiàn)象在人類中也很常見(jiàn)，比如有些人對(duì)某些疾?。ㄈ绡懠玻┚哂邢忍斓目剐?，而其他人則更容易受到感染。

植物的遺傳多樣性為物種整體抵御外界各種威脅提供了保障。更高的遺傳多樣性則意味著種群中可能存在具有不同抗性的個(gè)體，從而在面對(duì)特定的新病蟲害時(shí)表現(xiàn)出更強(qiáng)的群體生存能力。例如，月桂枯萎病（一種植物病原菌）在美國(guó)南部爆發(fā)時(shí)，盡管大部分月桂樹被病害殺死，但仍有少數(shù)個(gè)體幸存下來(lái)。這些幸存?zhèn)€體可能攜帶抗病基因，成為未來(lái)種群重建的遺傳基礎(chǔ)。

假設(shè)森林里雖然有多個(gè)樹種，但每個(gè)樹種的遺傳組成都完全相同（例如都來(lái)自同一克隆），那么這些樹種對(duì)病蟲害的反應(yīng)或抵抗能力就幾乎沒(méi)有差異。一旦某種病蟲害爆發(fā)，整個(gè)物種都可能面臨毀滅性的打擊。這正是遺傳多樣性在單一樹種中的關(guān)鍵作用。

即使在一個(gè)森林中存在多種樹種，我們也必須確保每個(gè)樹種內(nèi)部具有足夠的遺傳多樣性。只有具備足夠的遺傳多樣性，才有可能在病蟲害來(lái)襲時(shí)保留具有抗性或適應(yīng)能力的個(gè)體，這些個(gè)體將成為未來(lái)種群恢復(fù)的關(guān)鍵。

這就是為什么在造林時(shí)，除了種植多物種混交林以提高森林的群落多樣性之外，還需要確保每種樹的種子都來(lái)自不同的種源，避免只使用克隆樹種或遺傳單一的種群。

病蟲害發(fā)生的誘導(dǎo)因素

目前，我們正面臨一個(gè)日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)——外來(lái)病蟲害的威脅。與此同時(shí)，極端氣候的變化為病蟲害的發(fā)生創(chuàng)造了更多的機(jī)會(huì)，它們就像“隱形殺手”，悄無(wú)聲息地威脅著植物的健康。以草地貪夜蛾（fall armyworm）為例，這種原產(chǎn)于北美的害蟲在中國(guó)可以取食并危害多種農(nóng)作物，導(dǎo)致植物落葉甚至死亡。

草地貪夜蛾

（圖片來(lái)源：搜狐新聞）

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2019年稻瘟病菌在中國(guó)導(dǎo)致玉米生產(chǎn)損失約1400萬(wàn)元。稻瘟病菌作為水稻的主要真菌病害之一，其傳播途徑多樣，包括空氣、昆蟲、雨水和土壤等。在1975至1990年間，全球水稻產(chǎn)量因稻瘟病菌下降30%，損失1570萬(wàn)噸糧食；僅中國(guó)，每年即損失約300萬(wàn)噸糧食。

氣候變化所誘導(dǎo)的蟲害，如小麥蚜蟲。它是小麥的主要害蟲之一，近年全球氣溫的升高導(dǎo)致其發(fā)生期有所提前。這意味著一年中，小麥蚜蟲發(fā)生的總時(shí)間增加，從而使得其數(shù)量也大大增加，導(dǎo)致危害加重。?

而植物本身遺傳多樣性的降低也是另一原因，對(duì)于那些大面積種植在遺傳組成上相同的同一作物的區(qū)域（大型同質(zhì)種植園、人工種植純林），病蟲害的問(wèn)題尤為突出。

在很多地區(qū)，為了方便管理和追求更高的經(jīng)濟(jì)效益，組織者在同一區(qū)域種植來(lái)自統(tǒng)一培育的樹苗，這使得該區(qū)域內(nèi)的所有植物在遺傳組成上沒(méi)有變異。這些種植園就像是待宰的“羔羊”。

**低遺傳多樣性意味著它們對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力減弱。**當(dāng)面臨氣候變化、土壤退化等環(huán)境壓力時(shí)，遺傳單一的植物可能因足夠的遺傳變異來(lái)適應(yīng)這些變化，從而逐漸衰退。更為關(guān)鍵的是，由于遺傳上的相似性，一旦某種病蟲害能夠感染一株植物，這種病蟲也很可能感染種植園中的其他植株，導(dǎo)致病蟲害的快速蔓延。

然而，**即便是遺傳多樣性豐富的野生樹種，也可能難以抵御某些新的入侵害蟲。**例如，北美的白蠟樹雖然具有較高的遺傳多樣性，但仍無(wú)法抵抗入侵的白蠟窄吉丁蟲（emerald ash borer）。這種害蟲原產(chǎn)于亞洲，在那里，白蠟樹已經(jīng)與其共同進(jìn)化并擁有對(duì)這種害蟲的防御機(jī)制。然而，北美的白蠟樹未經(jīng)歷過(guò)類似的進(jìn)化選擇壓力，因此對(duì)這種入侵害蟲毫無(wú)抵抗能力，導(dǎo)致數(shù)千萬(wàn)棵白蠟樹死亡。這一案例表明，即便一個(gè)物種具備豐富的遺傳多樣性，若其進(jìn)化歷史中未曾接觸到特定的生物威脅，依然可能在面臨新威脅時(shí)遭受嚴(yán)重?fù)p失。

展示了北美楓香（Liquidambar spp.）正在遭受楓香刺小蠹（Acanthotomicus suncei）的危害。

（圖片來(lái)源：Jiri Hulcr）

如何增加樹木的遺傳多樣性？

未來(lái)隨時(shí)可能出現(xiàn)新的病蟲害，雖然我們無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)每一種威脅，但可以通過(guò)增加遺傳多樣性來(lái)提升植物的防護(hù)能力。以下是幾種有效的策略：

**1.遺傳多樣性為優(yōu)先：**種植植物時(shí)，不完全以經(jīng)濟(jì)效益、產(chǎn)量最大化為導(dǎo)向。我們需要調(diào)整優(yōu)先級(jí)，從產(chǎn)量最大化轉(zhuǎn)變?yōu)檫z傳多樣性、生物多樣性的最大化。

**2.合理的疏伐策略：**在對(duì)林地進(jìn)行疏伐時(shí)，我們應(yīng)盡量保留具有遺傳多樣性的個(gè)體，而非僅依據(jù)當(dāng)前的需求(例如更高的產(chǎn)量和生長(zhǎng)速度)無(wú)差別地移除植株。這不僅保留了不同的表型，同時(shí)又促進(jìn)了物種遺傳多樣性的延續(xù)。

**3.實(shí)行開放授粉（open pollination，通過(guò)昆蟲、風(fēng)、鳥類等自然機(jī)制進(jìn)行授粉）：**減少人為干預(yù)，采用自然授粉機(jī)制能夠增加基因的自然變異。這種方法能夠促進(jìn)基因的自然選擇和多樣性的增加，提高物種的生存率。也可以在不依賴于特定抗性基因的情況下，增強(qiáng)整個(gè)種群的適應(yīng)性和抵抗力。

**4.改變?cè)炝址绞剑?*以往的植樹造林只是種植從少數(shù)幾個(gè)品系繁育而來(lái)的植株，這些植株的遺傳基礎(chǔ)相對(duì)單一。從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看來(lái)，種植這樣遺傳單一的克隆植株可能并不能真的恢復(fù)森林的健康和韌性?？赡芨?jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的做法是讓森林從種子開始進(jìn)行自我恢復(fù)。我們應(yīng)該致力于保護(hù)森林里的自然再生幼苗。并在適當(dāng)時(shí)提供必要的支持，而不是依賴遺傳性單一的克隆植株。

**5.種植混合林：**例如，歐洲持續(xù)的高溫天氣，引發(fā)了云杉八齒小蠹（Ips typographus）對(duì)云杉（spruce）種植園的嚴(yán)重破壞。我們需要具有不同年齡和種類的混合林，這不僅能夠增強(qiáng)森林的抗性和韌性，還能確保林業(yè)經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定和可持續(xù)性。

**6.重視林業(yè)教育：**在即時(shí)利潤(rùn)的驅(qū)動(dòng)下，全球?qū)Ｗ⒂诹謽I(yè)教育的學(xué)校正在減少，這使得林業(yè)相關(guān)學(xué)位的提供也在縮減。這在以種植木材生產(chǎn)為主導(dǎo)的南半球尤為明顯。我們需要重視起來(lái)，以確保林業(yè)、森林保護(hù)相關(guān)的專業(yè)知識(shí)不會(huì)隨著時(shí)間的流逝而被邊緣化或遺忘。

**7.加強(qiáng)公眾對(duì)遺傳多樣性的意識(shí)：**有關(guān)的教育部門和機(jī)構(gòu)，可以利用新媒體等手段對(duì)遺傳多樣性和生物多樣性保護(hù)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行科普或?qū)ｎ}宣講，提高公眾對(duì)遺傳多樣性的重要性的認(rèn)識(shí)。

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