杨林如何保持适应不断变化的环境所需的多样性

看着油漆变干与看着森林生长没有任何关系。

漫长的等待总是让研究森林如何适应环境波动变得具有挑战性——这使得预测它们在不断变化的气候或新的害虫压力下的表现变得更加困难。

但是威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员进行的一项为期十年的新研究揭示了多年来白杨林如何改变其遗传结构，因为树木在保护自己免受害虫侵害与生长竞争阳光之间取得平衡。白杨是北美分布最广的树种，也是森林如何适应人类影响的环境变化的风向标。

当面临激烈的竞争时，基因上倾向于优先生长的树木会胜出。但是幸存者在处理破坏性昆虫方面的能力较差。

实验证明进化力量如何快速塑造整个森林看台。它还表明，暴露于一连串的环境变化可以维持能够应对不同压力的多样化森林。

这些发现对于希望在全球变暖、入侵物种和其他环境变化面前保护多样化森林生态系统的保护生物学家很有价值。

威斯康星大学麦迪逊分校昆虫学教授 Rick Lindroth 说：“这项工作所做的工作展示了关键特征(如生长和防御)如何结合在一起，以及遗传多样性如何让种群适应新的压力。”新的研究。

Lindroth、主要作者、前博士生 Olivia Cope 和他们在威斯康星大学麦迪逊分校的同事于 9 月 6 日在国家科学院院刊上发表了他们的研究结果。

阿斯彭经常在受干扰的环境中殖民，包括近年来在北美西部等野火后出现的贫瘠景观。数以千计的树木将在一个小区域内发芽，并且种族开始长得足够高以逃离邻居的阴影。这场激烈的竞争很快就会选出赢家和输家。

科学家们通过在威斯康星大学麦迪逊分校附近的阿灵顿农业研究站的茂密林分中种植幼苗来模拟这种环境。然后，他们移除了一半地块中四分之三的幼苗，减少了每棵树所经历的对阳光的竞争。这产生了两种类型的林分：高竞争环境和低竞争环境。

一些树木在遗传上倾向于优先生长，而另一些树木则将其资源用于生产可以阻止昆虫和哺乳动物攻击的保护性化学物质。当树木长到五岁时，Cope 开始追踪树木生长的速度以及接下来五年存活下来的树木。

科学家们发现，专注于防御的树木越多，它们就越短。矮小的植物更容易死亡，因为它们被高大的邻居遮住了。到研究结束时，最高的树木高达 40 多英尺。现存最短的树只有七英尺高。

“因为植物呈指数增长，早期的一点点高度差异可以让它们捕捉到更多的光线，而且高度差异会随着时间的推移而放大，”林德罗斯说。

由于防御严密的树木死亡的频率更高，林分的遗传结构会随着时间的推移而发生变化。具有快速生长遗传的树木开始占据主导地位，尤其是在种植密集且竞争激烈的地块中。随着时间的推移，这种差异意味着低竞争林和高竞争林开发了不同的遗传结构。

在研究期间，树木上没有很多虫害。但是在 2021 年，入侵的飞蛾Lymantria几乎在附近实验性白杨林的所有叶子上都发生了分化。研究人员预计，像这样的周期性害虫浪潮将奖励那些平衡生长与足够防御的白杨林。

这种平衡行为应该有助于创建一个能够应对不断变化的威胁的多样化森林。

“因为不断变化的环境最终选择了维持种群内的多样性，所以你有这种不断变化的动力，”林德罗斯说。“如果这种多样性具有遗传基础，那么可以保持它的原因是，在某些条件下，一种性状可能是有益的，而在其他条件下则可能没有。”

这种长达十年的实验相对较少。然而，在环境不断变化和广泛变化的时代，它们变得越来越重要，林德罗斯说。尤其如此，因为创纪录的野火席卷了西部大片地区，改变了森林的构成。

该研究是在之前的一项研究之后进行的，在该研究中，实验室正在检查鹿食对白杨的影响并没有按计划进行。树木的偶然再利用——以及新的资金——有助于提供必要的时间跨度，以揭示在长寿白杨中发挥作用的进化力量。

“了解树木的生态反应需要很长时间，更不用说树木种群内的进化反应了，”林德罗斯说。“我们有幸度过了那段时光。”

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