受威胁的森林无法移动，因此科学家正在迁移它们的基因

在温哥华郊外的一片田野里，马路对面是一排整洁的白色联排别墅，大约 500 棵茂密的西特卡云杉树向着太阳生长。在 2013 年春季的某一天，这些树木呈三角形，长着密密麻麻的深绿色针叶，肩并肩地挤在一起——或者，在某些情况下，肩并腰。虽然这些云杉都是在七年前的同一时间种植的，但它们的高度却像小学生排队拍摄集体照一样参差不齐。

最小的树木，大约两英尺高，来自阿拉斯加州的科迪亚克岛；最高的，近七英尺高，原产于俄勒冈州。高度不是唯一可见的差异。来自阿拉斯加的云杉比来自俄勒冈州的云杉早整整三个月——整整一个季节——发芽。无论温度降到多低，阿拉斯加的树木也保持绿色和健康。

这些云杉被扎根在这片田野里，位于不列颠哥伦比亚大学绵延校园的一端，作为一项实验，旨在突出树木如何适应当地环境。树木与其栖息地相匹配，这听起来可能很明显。但细节很重要，因为一个迫在眉睫的威胁：随着地球变暖，这些栖息地正在发生变化——而树木不可能起身走到新的家园。如果一个物种无法跟上气候变化的步伐，它注定要灭绝。

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由于树木本身无法迁移，科学家们正在探索一种新颖的解决方案：迁移植物的 DNA。这就是莎莉·N·艾特肯种植云杉园的原因。艾特肯是不列颠哥伦比亚大学森林保护遗传学中心主任，她认为拯救不列颠哥伦比亚省和世界各地的森林可能取决于一种称为辅助基因流动的做法。它可以通过将具有特定性状的生物从其自然分布范围的一部分转移到另一部分，来帮助物种适应未来的条件。来自俄勒冈州的树木和来自阿拉斯加州的树木可能有一些基因可以互相帮助。但如果没有人为干预，它们永远不会相遇。

就像一个树木媒人一样，一位林务员可以从低海拔地区的云杉或北美乔松中采集种子，然后将它们种植在更高海拔的山坡上。随着较高山坡上的温度升高，迁移的树木将生长并与其当地同类杂交，将其适应温暖环境的基因传播到整个区域，从而帮助森林进行调整。辅助基因流动可以为物种提供进化上的帮助。

但是，您不能简单地从俄勒冈州取一棵树，将其种植在 1000 英里外的不列颠哥伦比亚省北部，然后等待气温升高。您不能这样做的原因是来自相同的局部遗传适应，这些适应性使基因流动的想法具有吸引力。例如，北美乔松在加拿大省份的大部分不同地区生长。它们的基因帮助一些树木更好地耐受高温或低温或干旱，或抵御当地的疾病或害虫。如果一股北极寒流穿过温哥华，袭击来自温暖地区的移植树木，它们将会受苦。“我们需要从婴儿学步开始转变这些事情，”艾特肯说。“未来几十年预测的变化确实很大，但我们仍然有很多年复一年、周复一周、月复一月的变化，这些树木必须生存下来。”

弄清楚如何将今天的种子与未来的气候相匹配并非易事。但在不列颠哥伦比亚省，林业占所有出口的三分之一，商业森林占森林总面积的近一半，这至关重要。省法律要求在伐木后重新造林，以增加未来的木材供应和健康的生态系统。每年种植大约 2.5 亿株幼苗。这些种子应该来自哪里，以及它们可以或应该移动多远，这是一个复杂且紧迫的问题。如果做错了，您可能会使森林在未来几十年内遭受厄运。

西特卡云杉实验涉及来自 14 个不同地点的树木，范围从加利福尼亚州中部到阿拉斯加，这是艾特肯为避免这种致命失误而进行的一项小型概念验证。该研究产生了 35 个与耐寒性和发芽时间相关的 DNA 片段。接下来，艾特肯和她的团队筛选了更多的树木基因组，以寻找负责与其他环境性状相关的蛋白质的基因。通过检查这些基因并将它们在物种之间（北美乔松和两个品种的云杉）进行比较，他们能够表明，密切相关的物种以相似的方式使用相同的基因进行适应。他们希望这些基因的有益版本——称为等位基因——能够与气候变化大致同步地在需要这些性状的种群中传播，从而使这些基因变得有用。

AdapTree 项目以及最近的 CoAdapTree 项目——后者着眼于另外三种针叶树种——可以帮助为未来世界各地的辅助基因流动项目铺平道路，这项工作反过来可以帮助其他关键的生态系统构建物种。该项目于 2016 年秋季启动，不仅着眼于气候适应，还着眼于两种树木疾病。“随着气候变暖，昆虫和疾病的影响正在增加，”艾特肯说。这项工作由森林病理学家理查德·哈梅林共同领导，正在检查树木对疾病的反应以及病原体自身遗传变异的方式。

艾特肯和大学动物学系的种群遗传学家迈克尔·C·惠特洛克在 2013 年的一篇论文中创造了“辅助基因流动”一词。在过去的十年中，科学家和自然资源保护主义者一直在争论一个更宏大的想法，“辅助迁移”，这通常指的是将物种移动到更远的距离，超出其自然分布范围。但在物种分布范围内的辅助基因流动是一种更稳妥的方法，其核心是遗传严谨性。到 AdapTree 项目结束时，科学家们已经组装了来自不列颠哥伦比亚省和艾伯塔省 250 多个种群的 12,000 棵北美乔松和云杉树的 DNA 序列信息。

气候带

这些树木已经感受到了气候变化的影响。早在 20 世纪 70 年代，不列颠哥伦比亚省政府就制作了该省的气候地图，将其划分为一系列生物气候带。这张地图在加拿大西部森林规划中使用了四十年，有助于管理哪些种子可以在哪里种植。然而，今天，由于气候变化，这张地图几乎四分之一已经过时。一些区域已经移动，另一些区域已经急剧减少。高海拔区域和一些内陆高原已经失去了大约一半的栖息地——到 2100 年可能会缩减 80% 以上。曾经在特定区域茁壮成长的树木的种子今天可能甚至无法在那里生长。区域可能会演变成与以前存在的生态系统从根本上不同的生态系统，尽管一个生态系统在“从根本上不同”之前需要多少变化尚不清楚且存在争议。

特定种群是否能够适应变化，部分取决于生物体的繁殖速度。每一代新生代都代表着获得有用性状的机会。因此，繁殖速度快的松树甲虫比寿命长、繁殖缓慢的树木更有可能适应环境。一只昆虫在其一生中可能根本看不到任何变化。然而，一棵树却亲眼目睹了全球变暖。

一片森林在生命的前 20 年风险最大。一旦树木扎根，它们就会变得更加坚韧，“能够坚持一段时间，”俄勒冈州科瓦利斯市美国林务局的研究遗传学家布拉德·圣克莱尔说。但在全球变暖的时代，当地条件可能会在那关键的二十年中发生相当大的变化。

“如果你要将东西移到更高的海拔，以便它们适应未来的气候，”圣克莱尔说，“那么它们现在必须适应耐寒性。”换句话说，如果你现在将适应温暖环境的树木移到一个预计未来会变暖的区域，这些树木可能会在短期内遇到麻烦，因为该区域今天仍然寒冷。

“我们有一个移动的目标，”艾特肯承认。“我们是想在树苗时期就让树木与气候最佳匹配？还是 10 岁？还是 30 岁？”管理风险的一种方法是增加多样性——这可能意味着混合本地和非本地种子。“您不想在每公顷土地上都做同样的事情。您不能围绕单一的气候变化情景进行规划。”

辅助基因流动可能是增加森林遗传多样性的好方法，在其基因库中撒上赋予树木活力的成分。随着环境的变化，一些树木可能会在短期内遭受痛苦，但其他树木将拥有可以帮助森林度过艰难时期的遗传物质。“随着那些更适合的个体繁殖得更多，”艾特肯说，“我们预计种群将开始再次扩张。”她说，关键要素是维持足够数量的健康树木进行交配和生存，同时适应过程展开。

艾特肯是一位狂热的背包客和野外滑雪者，她在不列颠哥伦比亚省中部的树林中拥有一间小屋，她希望她的工作将有助于制定新的、更明智的森林政策。她认为，如果我们不开始实践辅助基因流动，树木种群可能会在其分布范围的最北部或最南部边缘开始衰退。“树木可能会长期存在，但它们可能会停止繁殖，”她说。“它们将在进化上完蛋。”她补充说，它们将变成“活死人之地”。更糟糕的是，它们会占据幼苗迫切需要的空间和阳光。在分布范围的中间地带，情况会稍微不那么引人注目。但树木可能仍然生长得更慢或难以生存。“这是否意味着那里的种群就会灭绝？”艾特肯问道。“可能不会。种群内部存在很多变异。物种不会灭绝，但我认为同时你会看到非常不健康的森林。”不良的健康状况会损害其他植物和动物，因为树木是整个生态系统的基础，提供食物和住所，调节水流并防止土壤侵蚀。

艾特肯说，在世界各地，“很少有人关注现有物种范围内个体的移动。”生态风险低于移植真正外来的树木，因为这些外来树木即使可能具有一些理想的性状，但它们并非已经是生态系统的一部分。

基因流动方法仍然存在风险。例如，它可能会添加实际上会损害较大种群生存机会的局部基因变异。“存在引入不需要的等位基因的风险，”墨尔本大学的遗传学家安德鲁·威克斯说。但他补充说，这个问题可能会自行纠正。“这就是自然选择的美妙之处，它将淘汰这些变异。通过增加基因库，您正在为种群的未来提供最佳机会。”

不列颠哥伦比亚省的森林每年价值 100 亿美元——并且提供诸如防止洪水和土壤侵蚀等重要服务——什么都不做可能会造成更大的风险。不列颠哥伦比亚省已经看到了全球变暖对森林的影响。自 20 世纪 90 年代中期以来，与气温升高相关的甲虫入侵和野火摧毁了数百万英亩的森林，并吞噬了数百个家园。“我们在气候变化方面已经收到了很多警钟，”不列颠哥伦比亚省森林和林地部的研究科学家格雷戈里·奥尼尔说。奥尼尔说，昆虫和火灾使该省的人民“非常意识到气候变化——而且它不是未来某个抽象的东西，而是已经发生了。”

损失震动了省政府采取行动。2009 年，不列颠哥伦比亚省开始修订其关于种子移动的规则。同年，奥尼尔开始了该省森林的辅助迁移试验，希望确定林务员是否、在何处以及如何能够在收获后种植完全不同的物种。在加拿大和美国西部的 48 个地点——从怀特霍斯到萨克拉门托——研究人员种植了 15 种具有商业价值的树木，将它们从其原产地范围移出，在某些情况下，将它们迁移到数千英里之外。

奥尼尔说，极端迁移只是一种研究工具，一种提供树木将如何生存的更好总体情况的方法。它并非旨在作为长距离迁移的指南。种植模式的任何实际变化都将是渐进的。“类似于‘不要将你的树木向下坡移动’或‘不要将你的树木向南移动’，”他说。每个站点都有一个气象站，该研究将显示幼苗的生长和存活与当地条件之间的关系。然后，奥尼尔说，科学家们将能够预测树木将如何应对气候变化。

AdapTree 的基因分析提供了一种互补的方式来预测树木将如何生存。这个庞大项目的研究人员仔细研究了来自内陆云杉和北美乔松树基因组中数百万个位置的 DNA 序列。他们开发了一种快速筛选方法——类似于人类基因组筛选公司 23 And Me 使用的方法——该方法查看大约 50,000 个短的遗传密码串，称为单核苷酸多态性或 SNP。完成这项工作后，他们深入研究，正如艾特肯所说，试图将注意力集中在将树木与其原产地匹配的特定多态性上。

来自 AdapTree 的原始基因数据令人眼花缭乱。艾特肯指出，如果打印在 8½ 英寸 x 11 英寸纸张的双面，堆叠起来至少有 90 英里高。而这只是信息的一部分。研究人员现在正在研究当树木遇到干旱或高温等压力时，基因的实际功能——它们的指令是如何执行的。

未来的森林

在纬度向南几度的地方，美国林务局的专家们开始权衡辅助基因流动的利弊。“我们目前的情况是大量的谈论和讨论，”圣克莱尔说。在美国，林务员历来不关注他们收集和种植种子的区域内特定的气候变化。在一个区域内移动种子似乎不会涉及足以影响植物健康的温度变化。

现在，林务员普遍认为，他们需要更好地移动种子。只要人们一直在种植树木，我们就一直在河流、村庄、大陆或海洋之间迁移种子。“如果你追溯到很久以前，人们过去经常四处迁移种子，而且你经常会得到失败的种植园，因为人们不知道自己在做什么，”俄勒冈州立大学的森林遗传学家格伦·豪说。部分由于这些失败，随着时间的推移，林业界对风险产生了厌恶感。在美国西部，种子带限制了种子种植的可移动距离，这些种子带狭窄而保守。“这在静态气候中可能是合适的，”豪说。“但在气候变化的情况下，非常保守的方法可能会成为问题。”

不列颠哥伦比亚省正在向前迈进。该省最近发布了新的再造林指南，部分基于 AdapTree 的研究结果。去年，不列颠哥伦比亚省将种植大约 3 亿株幼苗，以重新种植商业森林。截至 2018 年 4 月，这些指南是自愿性的，目的是给公司时间来转移其种子库存，但在几年内，它们将成为规则。

当然，辅助基因流动仍然存在更广泛的挑战。目前，研究人员需要说服资源管理者信任基因组数据，这是他们在实地无法亲眼看到的东西。艾特肯说，观点肯定在转变，尤其是在物种范围内移动东西的想法方面。“我不会说没有阻力，但阻力不大，”她说。尽管如此，至关重要的是，所有这些核苷酸多态性和序列数据“转化为林务员的词汇，”艾特肯说。

因为最终所有这些 DNA 链都构成了活生生的、会呼吸的树木——我们依赖它们来构建我们的人造环境和自然环境。为了在不断变化的世界中茁壮成长，其中一些树木可能需要扩展到新的领域。而要做到这一点，它们将需要我们的帮助。