Science | 极端天气频发，气候变化压力下，自然种群能否依靠进化实现自救？

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原文信息

极端干旱来袭，植物只能被动承受吗？一项历时8年的野外研究追踪19个猩红猴面花（Mimulus cardinalis）种群发现：面对气候危机，部分种群不仅数量锐减，甚至局部灭绝；但也有种群通过快速进化，获得了更强的耐热抗旱能力，并更快恢复。这提示我们：在气候变化时代，决定物种命运的，或许不只是环境，还有进化的速度。

Daniel N. Anstett et al. ,Rapid evolution predicts demographic recovery after extreme drought.Science391,1172-1176(2026).DOI:10.1126/science.adu0995

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研究摘要

受气候变化影响而数量下降的种群可能需要进化才能生存下去。尽管进化拯救已在理论和实验室中得到证实，但其对面临气候变化的自然种群的意义仍不清楚。本文研究了猩红猴面花（Mimulus cardinalis）在极端干旱期间的快速进化与种群动态之间的关系。我们利用55个种群的全基因组测序来识别与气候相关的基因位点。同时，我们追踪了整个干旱期间种群数量和等位基因频率的变化。我们发现，干旱期间种群数量普遍下降，快速进化在地理分布上存在差异，而种群恢复情况则因气候相关基因位点的遗传变异及其快速进化而有所不同。这些发现表明，进化拯救在自然界中是可能的，适应性基因位点（而非中性基因位点）的遗传变异可以预测种群恢复情况。

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研究进展

气候变化由于极端事件的强度和持续时间不断增加，正导致种群数量下降。逆转这种下降可能依赖于进化性拯救，即通过进化实现种群数量的恢复。进化性拯救具有广泛的理论支持，并且在微生物中已有优雅的实验室验证，但尚未在野外种群中针对气候变化得到直接证明。实验室之外关于进化性拯救的最佳证据包括：对现代农业中除草剂的抗性、塔斯马尼亚恶魔对可传播癌症的抗性，以及鳉鱼对污染的适应。然而，这些研究尚未提供等位基因频率变化与种群动态之间联系的直接证据。在野外记录进化性拯救，需要证明由环境扰动驱动的种群数量下降、在种群下降期间发生的快速适应，以及由进化变化导致的种群恢复。

这项研究通过利用大量人口和景观基因组数据集，展示了在极端干旱期间，猩红猴面花（Mimulus cardinalis）演化救援的三个阶段模式。 Mimulus cardinalis是一种多年生草本植物，分布于从墨西哥下加利福尼亚北部到美国俄勒冈州南部的低地和山区栖息地。该物种的大部分分布范围受到了 22 年长达 22 年的超级干旱影响，其中 2012–2015 年为加利福尼亚州超过 1 万年来最极端的 4 年干旱。这些“异常”干旱事件的频率预计将随着气候变化而上升。例如，假设全球气温上升 3°C，预计全球 15%的陆地面积每 5 年将发生一次 100 年一期的干旱，这将增加加利福尼亚及许多其他地中海型生态系统对干旱压力的脆弱性。由于Mimulus cardinalis 沿干旱梯度分布，且在该梯度上表现出不同的生理和生活史适应，该物种是研究干旱适应地理变异的理想系统。

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主要图表

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结果讨论

基因组学预测未来种群动态结果的能力，是保护基因组学领域内最重要且尚待解决的开放性问题之一。关于全基因组多样性在生物保护工作中的重要性，目前仍存在相当大的争议；部分研究认为全基因组多样性能够预测种群的复原力，而另一些研究则指出，必须获取关于适应性遗传变异的直接信息。此外，验证通过“基因型-环境关联分析”（GEA）所识别出的基因位点的功能及其适应性价值，依然是一项充满挑战的任务。若能深入探究“气候相关核苷酸多样性”预测受气候变化影响生态系统之种群动态结果的能力，将有助于评估基因组测序工作在保护管理实践中更广泛的应用价值。在此类研究工作中，我们已证实：当明确知晓具体的“气候胁迫因子”时，基因型与环境之间的关联性对于筛选出那些最能预测种群应对气候变化复原力的遗传变异子集，具有至关重要的作用。

这一发现不仅利用独立的种群动态数据，对 GEA 分析所得出的推论进行了明确的验证，同时也为在全基因组范围内识别适应性基因位点的必要性提供了有力佐证。然而，通过 GEA 分析所识别出的这些单核苷酸多态性位点（SNPs），未必能够反映种群未来可能面临的诸多其他环境胁迫因素。因此，在利用核苷酸多样性信息指导旨在提升种群复原力的保护管理工作时，我们建议采取一种综合策略：即将通过 GEA 分析所筛选出的 SNP 位点集，与基于全基因组多样性的分析方法相结合使用。此外，这些分析手段还可以与其他基于空间尺度的遗传多样性指标的研究策略——即基于“空间尺度上分布的遗传变异可用于预测时间尺度上所需的遗传变异”这一理念——在进化生物学和保护遗传学领域中已被广泛采用。本研究不仅印证了“以空间换时间”策略的有效性，更充分展示了基因组学在阐释种群如何响应气候变化这一关键问题中所发挥的重要作用。

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