射线枪让科学家用光代替DNA来区分植物种群

在《星际迷航》中，角色携带一个称为三录仪的小型手持设备，可以指向物体进行分析和识别。当该节目的作者在 1960 年代构思这个想法时，这纯粹是科幻小说，但新植物学家的一篇新论文使这个想法更接近现实。研究人员使用一种看起来有点像射线枪的手持设备来记录阿拉斯加不同山脉上的植物叶子如何反射光线。而且，事实证明，同一物种的不同植物种群——例如，生活在邻近山顶的植物——反射光的方式不同，它们的遗传变异相互呼应。

“虽然训练有素的生物学家通常可以走进现场并用眼睛识别物种，但需要昂贵的基因分析来揭示种群——基因库中同一物种的个体群体——这对保护和进化研究非常重要，”芝加哥菲尔德博物馆的博士后研究员、该研究的共同主要作者道森怀特说。“在这项新研究中，我们已经证明你可以使用光代替 DNA 来定义植物种群，细节水平相似。这种新方法比基因检测更快、更便宜，这可以显着提高我们在测绘和监测生物多样性。”

“DNA 就像一本关于如何构建有机体的说明手册，事实证明，该手册包含构建和组合构成该有机体的最小单个部分的说明，”伦敦大学研究生研究员 Lance Stasinski 说。缅因州和该论文的另一位共同主要作者。“我们能够使用从这些部件反射的光来确定使用哪本说明手册来构建生物体——即使说明手册仅相差几个字。”

所有生物都含有DNA，两个生物的DNA越相似，它们之间的关系就越密切。物种之间和物种内部都是如此——你的 DNA 与黑猩猩的更相似，而不是狗的，因为我们与黑猩猩的亲缘关系更密切，而且你的 DNA 更接近于你的表亲，而不是与另一边的随机陌生人的 DNA 更接近。世界。植物也是如此：即使在一个物种内，从一个种群到另一个种群，DNA 也存在差异。

遗传研究表明，有时这些变异以非常精细的尺度出现——例如，一个山顶上一个物种的植物可以形成与几英里外山顶上植物略有不同的 DNA 的群体。当种群像这样分裂时，这意味着它们不会彼此共享花粉或种子，并且在基因上是孤立的。

科学家们研究 DNA 中的这些差异以区分植物种群和另一种植物种群，但这是一项艰巨的任务——他们必须收集植物样本、储存它们、获得许可将它们转移到实验室，然后通过许多步骤对植物进行实际测序植物的遗传密码并进行比较。这是一个需要数周甚至数月的过程。然而，在这项新研究中，研究人员发现了另一种方法来确定两种植物种群之间的亲缘关系，这种方法最终几乎可以立即在野外完成。这就是射线枪的用武之地。

光谱辐射计是测量从表面反射多少光以及光包含哪些波长的仪器。仪器本身可以装在背包里，还有一个手持探头连接到一根看起来像一个小射线枪的光纤电缆上。农业科学家使用这些仪器分析从叶子反射回来的光以检测疾病。但这项新研究表明，从叶子反射的光线因植物种群而异。

“叶子已经进化为与光相互作用，这些机器在光子进入叶子并根据不同的化学和结构被吸收或反弹后记录光的差异，”怀特解释说。“该仪器读取从叶子反射回来的可见光和红外光，这些信息可以为您提供有关叶子化学和结构的大量信息。”

怀特和他来自 Schoodic 研究所和缅因大学的同事将光谱仪带到阿拉斯加的高山栖息地，研究一种名为Dryas的小型常绿灌木。然后他们扫描了植物的叶子并收集了植物样本，以便他们稍后分析 DNA。

“我们的实地工作旨在收集本研究中许多不同尺度、基因型的植物群落的反射数据，以及其他研究中的不同物种或较粗的植物功能类型。我们在许多研究中使用植物的这些反射特征来绘制植被图，使用我们的无人机 -基于图像和 NASA 的 AVIRIS ng 机载传感器。来自地面和空气的关于此类植被的更精确信息在这些苔原中具有许多用途，从量化野生动物栖息地到推断地下永久冻土动态，“Schoodic Institute 森林生态学主任 Peter R. Nelson 说在阿卡迪亚国家公园和缅因大学森林资源学院副教授。

科学家们发现，从一座山顶到另一座山顶，树叶反射回不同波长的不同数量的光。而且，一旦他们对植物的基因组进行了测序，他们发现反射率的这些差异与植物的遗传差异完全对应。这意味着，对于试图确定植物种群是否具有遗传独特性的该领域的研究人员来说，观察植物反射的光可以快速、可靠地替代冗长的基因测试。

“我们非常惊讶地发现不同的山顶在基因上是孤立的，所以它们不共享花粉或种子，而且，我们可以用遗传学或这种新的光谱方法检测这些不同的山顶，”怀特说。

“即使在生物复杂的情况下，叶子光谱也能如此好地捕捉遗传变异这一事实令人难以置信。随着技术和模型的改进，我们希望能够使用从无人机测量的光谱以与我们相同的精度水平检测多样性使用背包式光谱仪。”缅因大学教授 Dudu Meireles 说。

对于致力于保护受威胁种群的科学家来说，能够区分一种植物遗传种群与另一种植物遗传种群可能至关重要。

“现在我们了解到，这些山顶中的每一座在基因上都是独一无二的，这意味着对保护有影响，”菲尔德博物馆馆长、该研究的作者之一里克·里 (Rick Ree) 说。“如果我们想随着时间的推移尝试保持遗传多样性，特别是考虑到气候变化导致高山生态系统的栖息地不断缩小，那么我们应该从每个山顶采样。”

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