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这只鸟能适应更温暖的气候吗? 阅读基因以找出答案

是加州大学洛杉矶分校的环境与可持续发展博士后研究员


许多动物都有适应性,可以帮助他们应对特定的环境或生活方式。 南极鱼类产生抗冻蛋白,可防止血液在零度以下的温度下冻结。 一些沙漠啮齿动物在没有饮用一滴水的情况下存活下来。 生活在高海拔地区的人类有特殊的适应能力来应对低氧浓度。

这些特殊的适应性在基因组中编码并代代相传。 这些信息也可以帮助科学家们预测未来:阅读动物的基因可以帮助我们预测生物体是否以及如何适应环境的快速变化,如带来的 了解动物DNA水平的气候脆弱性可以揭示哪些种群和物种更具风险,使我们能够将保护工作与风险物种和预期的气候情景相匹配。


我与一群与有关的生物学家一起工作,他们关注气候变化的影响。 我们决定用黄莺调查这个问题。

这些候鸟在夏季大部分时间都在加拿大和美国被发现,这些栖息环境的范围从炎热干燥的加利福尼亚中央山谷到凉爽潮湿的太平洋西北地区。 如果你住在北美,附近可能有黄莺。

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黄莺会在气候变化中存活下来吗? Steve Byland / shutterstock.com

阅读黄莺的DNA

是一个大数目的游戏。 首先,我们需要来自整个大陆的大量样本。 幸运的是,我们得到了很多帮助。 鸟类监测站为我们收集了黄莺血液样本,博物馆向我们发送了样本,其他科学家从过去的研究中挖掘出他们在冰柜里的DNA。 完成所有工作后,我们收集了来自活禽的血液和羽毛样本以及博物馆鸟类的组织样本。

一旦我们从所有这些样本中获得DNA - 来自美国和加拿大20多个地点的大约250只鸡 - 我们对每只黄莺的基因组进行了测序。 这导致了大约350亿个DNA碱基对 - 构成遗传密码的DNA化学单元。 使用计算机算法,我们比较了这250个基因组,并研究了来自不同气候区域的鸟类中基因组的哪些部分不同。

我们并不真正知道基因组的哪些部分(如果有的话)会显示气候适应的迹象 - 所以我们没有选择检查任何特定的基因。 相反,我们研究了基因组的许多随机区域,总共超过100,000。 我们比较了每个基因组区域的变异与不同的环境参数,这些参数与采样鸟类的温度,降水和植被测量有关。

我们发现,在这些环境变量中,降水与遗传变异的关系最为密切。 当我们在所有样本中检查黄莺基因组的这些区域时,我们发现,与生活在干旱地区的鸟类中的相同基因相比,一些基因在多雨区域的鸟类中看起来不同。

换句话说,来自该国最干旱地区的黄莺中的相同基因的DNA序列与来自非常潮湿地区的鸟类略有不同。 这表明有一种理想的遗传变异与环境相匹配 - 这些鸟类适应了当地的气候。

但如果 ,随着气候变化,未来几年会发生什么?

适应还是死亡:适者生存?

预计美国许多地区在下个世纪会变得更加温暖和干燥。 因为我们现在知道哪种遗传变异对于每种气候都是理想的,我们可以计算出黄莺种群的基因组序列在未来50年内必须改变多少以匹配适应未来条件的黄莺的遗传谱。 例如,基于现在生活在温暖地区的黄莺的基因组谱,我们可以估计将来需要多少鸟类来适应更温暖的气温。

我们使用的算法将来自所有100,000个基因组区域的数据与25个不同气候变量的公开数据相结合,包括当前和未来的气候变化。 当数字被碾压时,我们估计的分数反映了人口需要改变的人口DNA数量才能适应未来的气候变化。 我们称之为不同黄莺种群的“基因组脆弱性”。

人口可能已经受到气候变化的威胁

一些地区,如落基山脉,表现出非常高水平的基因组脆弱性,表明这些地区的黄莺需要在其基因组中进行许多变化以跟上气候变化。 与此同时,来自中西部等其他地区的鸣禽的基因组脆弱性较低 - 这些鸟的风险较低。 整个范围内基因组脆弱性的差异是由于预测的气候变化模式的变化; 预计一些地区会变得更热和更干燥,而其他地区实际上可能变得更湿润和更凉爽。


当我们将基因组脆弱性与过去50年中黄莺种群的变化进行比较时,我们可能会发现最令人吃惊的发现。 在加利福尼亚部分地区和落基山脉地区,这些地区的基因组脆弱性最高,黄莺数量已经下降。 这可能意味着气候变化已经影响了这些人口,这些影响在下个世纪可能会变得更加严重。

虽然我们发现栖息在不同气候的鸟类之间存在遗传差异,但我们仍然不清楚这些遗传差异的含义。 也许来自干旱地区的鸟类可以利用与生活在潮湿地区的食物不同的食物来源。 也许鸟类的迁徙时间与不同地区不同类型的植被相匹配。 只有后续研究才能告诉我们鸟类如何适应不同的气候。

黄莺显然不是唯一受气候变化影响的物种。 通过鸟类Genoscape项目,我们正在努力创建许多北美鸟类的基因组脆弱性地图。 我们也希望这个框架也将用于其他类型的野生动物,而不仅仅是鸟类。

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