一些物种在其栖息的环境中发挥着超乎寻常的作用。海狸建造水坝，形成鱼类繁衍生息的池塘。海獭在海带森林中吃掉足够多的海胆，这样海带就可以生长而不会被首先吞噬殆尽。这些所谓的关键物种将它们的生态系统维系在一起。
但是，如果生态系统不仅依赖于单个物种，而且可以由单个基因决定成败呢？在周四发表在《科学》杂志上的一项研究中，研究人员证明了他们所谓的“关键基因”的存在。这项发现可能对科学家思考生态系统及其中的物种如何随时间推移而持续存在的方式产生影响。
在实验室中，研究人员构建了几个微型生态系统，每个生态系统仅由四个物种组成。在食物链的底端是拟南芥，这是一种小型一年生植物，是生物学家最喜欢的研究生物（它的基因组在 20 多年前就被测序）。在每个生态系统中，这种植物都充当两种蚜虫的食物，而蚜虫又喂养寄生蜂。
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每个面包箱大小的生态系统都包含多株拟南芥植物。在一些系统中，这些植物是基因相同的——单一栽培。在另一些系统中，通过打开和关闭三个基因——MAM1、AOP2 和 GSOH——的不同组合，引入了基因变异。研究人员专注于这些基因，因为它们维持称为脂肪族葡糖异硫氰酸酯的化合物的产生，这些化合物通过阻止饥饿的蚜虫来保护植物。一些实验生态系统中的遗传组合数量比其他生态系统中的更多；研究人员观察了植物、蚜虫和黄蜂在每种情景中将如何共存。
正如该团队所预期的那样，植物基因多样性更高的生态系统结果证明更稳定。对于研究人员添加到混合物中的每种具有不同基因组成的植物，与单一栽培相比，昆虫的灭绝率下降了近 20%。
但令研究人员震惊的是，这一结果似乎取决于单个基因。无论多样性如何，如果系统中包含具有 AOP2 基因的某种变体或等位基因的植物，则昆虫的灭绝率与没有该基因的系统相比下降了 29%。本质上，如果您改变 AOP2 等位基因，您就会失去昆虫。增加基因多样性有助于昆虫，因为它增加了蚜虫遇到具有这种关键基因变异的植物的可能性。“我们预料到了多样性效应，”主要作者兼苏黎世大学生态学家马特·巴伯说。“但单个基因出乎意料的巨大影响——这令人惊讶。”
同样令人惊讶的是 AOP2 等位基因影响蚜虫的机制。尽管该变异改变了植物产生其蚜虫驱避化合物的方式，但它也使植物生长得更快。这反过来又使蚜虫以及依赖它们作为食物的黄蜂能够更快地长大。“以植物为食的蚜虫实际上能够长得更大，而且它们能够更快地繁殖，因此它们的种群能够更快地增长，”巴伯解释说。“我没想到 AOP2 会有这种效果。”
“表明单个基因实际上可以重组生态网络，这真是将遗传学和前沿生态学研究结合在一起的一个绝佳例子，”不列颠哥伦比亚大学的生物多样性科学家雷切尔·日耳曼说，她没有参与这项研究。“这是此类研究中的第一个，我预计未来会有更多。”
保护生物学家早就知道，多样化的生态系统大于其各部分的总和，特别是，它们更稳定。同样，物种的更多基因多样性种群更有可能生存下来，这要归功于它们适应不断变化的环境的能力增强。这种效应类似于分散投资组合：人们无法确定哪些基因将导致种群取得更大的成功，因此拥有的选择越多，出现某种结果的可能性就越大。
但新的发现指出了一种机制，该机制可能使基因多样性对于维持生态系统至关重要。如果特定的基因变异——关键基因——从种群中丢失，其他物种可能会灭绝，而不仅仅是基因的所有者。“这实际上与基因多样性无关，而是在拥有多样化的基因库时，您会增加找到那种单一重要突变的机会，”日耳曼说。“这就是这篇论文很酷的一点——这可能是许多生态学家没有过多考虑的事情。”
巴伯说，他不认为关键基因维系着每个生态系统。“我不认为它们很常见，”他说。“但是当它们存在时，它们将非常重要。”
巴伯推测，也许科学最终可以利用关键基因来保护和恢复生物多样性。“人类长期以来一直在培育植物，并在最近对它们进行基因改造，”他说。“如果我们知道哪些基因不仅能使它们更好地生存，还能促进生物多样性，那会怎样？我认为这是一个非常重要、非常有趣的意义。”但这仍然是一个未来需要解决的问题。“我们才刚刚开始尝试真正剖析这些基因对生态系统的影响，”巴伯补充道。