编者按：以下文章经许可转载自对话，这是一个报道最新研究的在线出版物。
随着气候变化的影响迅速改变社区、经济和自然系统，为我们这个时代最紧迫的生物学挑战寻求新的解决方案的需求从未如此迫切。其中一个重要的组成部分是解锁植物的天然遗传多样性，以识别那些最能适应不断变化的环境的物种和种群。
正如研究人员利用遗传学来提高粮食产量一样，遗传学也可以提供解决方案，以维护生物多样性并保护原生生态系统提供的服务。遗传学有可能惠及从草原到松树林和珊瑚礁的原生系统。
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众所周知，植物在耐旱性和耐温性、水分利用效率以及其他性状方面具有广泛的遗传变异，这些性状对于在气候变化中生存和避免灭绝至关重要。不断变化的气候条件不仅影响植物本身，还影响其他影响植物群落的生物。例如，变化的环境条件可能会增加病虫害爆发，或者允许入侵物种进入以前不适宜生存的区域。重要的是，植物在对病虫害和入侵物种的反应中也表现出遗传变异，这些变异可用于减轻其负面影响。
在遭受气候变化影响的地区，遗传学的应用将变得越来越重要。例如，在美国西部，自 1995 年以来，干旱和高温使树木死亡率翻了一番，并且死亡率随着时间的推移而加速。黄松是西部标志性的优势树种，在科罗拉多州和亚利桑那州的许多地点几乎遭受了 100% 的死亡，气候变化使这些地方的树木更容易受到树皮甲虫爆发的影响，进而导致野火增加。
幸运的是，植物基因组——一个生物体的所有遗传信息——是一个巨大的遗传变异库，可以用来帮助防止因气候变化而遭受损失的物种灭绝。新技术和研究平台使研究人员能够识别出那些能够在未来气候以及面对气候变化带来的无数连锁效应中生存下来的个体和种群。
基于遗传学的环境研究已经开始帮助恢复受损和退化的景观。30 多年来，一个研究人员联盟一直在研究棉白杨树的遗传变异如何影响从微生物到哺乳动物的整个生物群落。这项研究参与了在科罗拉多河下游耗资 6.26 亿美元、为期 50 年的项目，该项目表明不同种群的成功存在基于遗传学的重大差异，垦务局和其他机构正在利用这些差异来恢复河岸栖息地。通过此类恢复-研究相结合的实验，科学家可以了解哪些遗传谱系最有可能在未来的气候中生存下来。
要了解植物对气候条件的反应，需要整合多学科的科学，以研究不断变化的环境条件如何通过植物的生命周期及其后代影响植物。植物物种经过数千年的时间适应当地条件，这意味着今天在当地适应良好的物种明天可能会表现不佳，因为气候正在变化。因此，基于遗传学的研究可以帮助识别出那些具有优良性状的个体，使其能够在未来的气候中生存下来。这类研究需要由气候变化科学家、生物学家、遗传学家、建模师和工程师组成的跨学科团队，他们正在使用和开发新技术和研究平台来解锁植物基因组内蕴藏的大量信息。
这些进展之一是西南实验花园阵列（SEGA），这是一个耗资 500 万美元的设施，在国家科学基金会、北亚利桑那大学以及众多公共和私人土地所有者的支持下得以实现。SEGA 是一个新的基于遗传学的气候变化研究平台，使科学家能够量化物种对不断变化的气候条件的生态和进化反应。SEGA 将在亚利桑那州北部陡峭的海拔梯度上创建一个由 10 个花园组成的系统。由于温度和湿度随海拔高度可预测地变化，这些花园反映了气候差异——从沙漠到高山森林——模拟了气候变化的影响。通过在不同的环境中种植相同的植物物种和基因型，科学家可以识别出哪些物种表现最佳，最有可能在变化的环境中生存下来。
SEGA 是世界上首个此类研究平台，但如果要更广泛地实现基于遗传学方法的潜在益处，就必须将其转移给全球合作伙伴并由其复制。同样，这种方法需要培养新一代接受过不同学科培训的科学家——他们可以合作解决涉及整个生物群落的复杂生物学问题。
尽管挑战巨大，但我们生活在一个知识和技术可以用来确保整个生态系统和依赖于生态系统的人们生存的时代。基于遗传学的方法旨在利用野生种群中存在的天然遗传变异来恢复受损的自然系统，并减轻气候和其他全球变化的影响。虽然原生生态系统正面临着前所未有的挑战，但遗传学的应用为我们提供了充满希望的新解决方案。
托马斯·惠特曼接受国家科学基金会和垦务局的资助。
本文最初发表于LiveScience，随后发表于The Conversation。