植物遺傳多樣性整合分析支撐“第三極”保護(hù)地體系的優(yōu)化建議

昆明市林草局專業(yè)號(hào) 2025/3/25 15:28:22

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原創(chuàng) 劉杰

氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)全球生物多樣性構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。有關(guān)研究報(bào)告預(yù)示，在未來(lái)幾十年內(nèi)，約有40%的植物物種將面臨滅絕風(fēng)險(xiǎn)。盡管自然保護(hù)地在減緩生物多樣性喪失方面發(fā)揮了重要作用，但其規(guī)劃體系主要依賴物種和生態(tài)系統(tǒng)多樣性的評(píng)估，尚未有效地整合遺傳多樣性指標(biāo)。作為生物多樣性的關(guān)鍵組成部分，遺傳多樣性代表了種內(nèi)個(gè)體間的遺傳變異總和，是支撐物種適應(yīng)氣候變化、維持進(jìn)化潛力以及保障生態(tài)系統(tǒng)功能與恢復(fù)力的基礎(chǔ)。聯(lián)合國(guó)《生物多樣性公約》（CBD）明確強(qiáng)調(diào)了遺傳多樣性在全球生物多樣性戰(zhàn)略中的重要地位。2022年第15次締約國(guó)大會(huì)形成的《昆明-蒙特利爾全球生物多樣性框架》（GBF）提出，到2050年要實(shí)現(xiàn)遺傳多樣性的總體穩(wěn)定，力爭(zhēng)保護(hù)每個(gè)物種至少90%的遺傳多樣性。然而，近期研究顯示，在人類世，全球至少有10%的動(dòng)植物遺傳多樣性已經(jīng)喪失，未來(lái)的喪失速率尚難以預(yù)測(cè)。盡管已有研究揭示了國(guó)家乃至全球尺度遺傳多樣性的分布格局及驅(qū)動(dòng)因素，但對(duì)大尺度區(qū)域遺傳多樣性的整合分析仍顯不足。此外，已有研究多依賴于直接獲取的遺傳多樣性參數(shù)，缺乏基于遺傳矩陣重建的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)分析。更為關(guān)鍵的是，遺傳多樣性指標(biāo)尚未被系統(tǒng)整合到保護(hù)地體系優(yōu)化的實(shí)踐中。

廣義的青藏高原包括青藏高原（狹義）、橫斷山、喜馬拉雅和中亞山地（部分），被稱為地球“第三極”，其平均海拔達(dá)4054 m（范圍從88 m到8848 m），總面積為3.42×106 km2。由于擁有巨大的冰川儲(chǔ)量，該區(qū)域是亞洲九條大河的發(fā)源地，素有“亞洲水塔”之稱?！暗谌龢O”涵蓋了4個(gè)全球生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)，孕育了約18,000種維管植物，其中約20%為特有種，是我國(guó)最重要的生態(tài)安全屏障，也是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵區(qū)域。全球氣候變化和人類活動(dòng)已嚴(yán)重威脅到“第三極”的生態(tài)安全。過(guò)去50年間，該區(qū)域呈現(xiàn)明顯的暖濕化趨勢(shì)，平均溫升幅度達(dá)0.42 ℃/10年，約為全球平均水平的2倍；同期降水量每10年增加2.2%。氣候變化引發(fā)了一系列級(jí)聯(lián)效應(yīng)，深刻影響了區(qū)域內(nèi)冰川、凍土、湖泊等生態(tài)與環(huán)境要素。與此同時(shí)，人口增長(zhǎng)、過(guò)度放牧及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等人類活動(dòng)不斷加劇，對(duì)地表覆蓋造成顯著干擾，嚴(yán)重破壞了生態(tài)系統(tǒng)的完整性。為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，“第三極”區(qū)域內(nèi)已建立了50余個(gè)國(guó)家級(jí)保護(hù)地，約占區(qū)域總面積的25.54%（圖1）。近年來(lái)，為解決保護(hù)地空間分布分散、生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)覆蓋不足等問(wèn)題，我國(guó)提出建設(shè)第三極國(guó)家公園群的發(fā)展規(guī)劃，有望將保護(hù)地覆蓋率提升至34.02%（圖1）。盡管已有研究嘗試在第三極保護(hù)地體系優(yōu)化中納入系統(tǒng)發(fā)育多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能等指標(biāo)，但對(duì)直接關(guān)聯(lián)物種適應(yīng)和進(jìn)化潛力的遺傳多樣性仍缺乏系統(tǒng)考量。這一關(guān)鍵指標(biāo)的缺失，可能削弱該區(qū)域保護(hù)地體系在應(yīng)對(duì)快速氣候變化中的韌性，并限制其長(zhǎng)期的保護(hù)成效。

中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所李德銖團(tuán)隊(duì)通過(guò)國(guó)際合作，采用多學(xué)科交叉的方法，以青藏高原及周邊山地構(gòu)成的“第三極”為研究區(qū)域（圖1），基于96種植物的群體遺傳和分布數(shù)據(jù)，分析了其遺傳多樣性的分布格局，預(yù)測(cè)了氣候變化驅(qū)動(dòng)下物種分布的動(dòng)態(tài)變化，并量化了未來(lái)潛在的遺傳多樣性喪失率。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)整合遺傳多樣性與其它關(guān)鍵保護(hù)要素，提出了“第三極”保護(hù)地體系優(yōu)化的建議方案。研究發(fā)現(xiàn)，“第三極”東南部存在多個(gè)單倍型多樣性（HD）中心，擁有豐富的單倍型和特有單倍型，表明該地區(qū)可能曾是植物的冰期避難所（圖2）?；貧w模型結(jié)果顯示，氣候和地形共同塑造了遺傳多樣性的分布，其中緯度是葉綠體DNA (cpDNA)單倍型多樣性的最佳預(yù)測(cè)因子，而降水量是核糖體DNA (nrDNA)單倍型多樣性的決定要素?；谏鷳B(tài)位模型預(yù)測(cè)表明，未來(lái)氣候情景下（即2090s），植物的適宜分布區(qū)將向西北方向遷移約43 km，并向高海拔遷移約86 m （圖3）。這種分布區(qū)的位移可能導(dǎo)致cpDNA和nrDNA單倍型多樣性分別喪失13.19%和15.49%。整合遺傳多樣性的系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃結(jié)果顯示，新確定的保護(hù)優(yōu)先區(qū)中有71.20%位于現(xiàn)有保護(hù)區(qū)和規(guī)劃中的國(guó)家公園群之外（圖4）。據(jù)此，研究團(tuán)隊(duì)建議在“第三極”區(qū)域調(diào)整擴(kuò)大現(xiàn)有保護(hù)地體系，新增保護(hù)面積2.02×105 km2（占區(qū)域總面積的5.91%），使總保護(hù)面積達(dá)到1.36×106 km2（占區(qū)域總面積的39.93%）（圖4），從而更全面地保護(hù)物種的遺傳基礎(chǔ)與演化潛力。本研究嘗試將遺傳多樣性指標(biāo)整合到生物多樣性保護(hù)規(guī)劃中，不僅為“第三極”保護(hù)地體系的優(yōu)化提供了新的思路，對(duì)其它關(guān)鍵區(qū)域的生物多樣性保護(hù)也具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義，可為全球生態(tài)脆弱區(qū)域的保護(hù)規(guī)劃提供可借鑒的范式。

近日，該研究成果以Incorporating genetic diversity to optimize the plant conservation network in the Third Pole為題在全球變化與生態(tài)學(xué)領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威期刊Global Change Biology發(fā)表。昆明植物研究所博士后Moses C. Wambulwa博士、朱光福碩士和羅亞皇副研究員為共同第一作者，劉杰副研究員和李德銖研究員為共同通訊作者。加拿大多倫多大學(xué)Marc W. Cadotte教授、英國(guó)亞伯大學(xué)Jim Provan教授和斯特林大學(xué)Alistair S. Jump教授等參與了此項(xiàng)工作。研究相關(guān)數(shù)據(jù)已同步存儲(chǔ)于國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心和Zenodo平臺(tái)。該研究得到了中國(guó)科學(xué)院“從0到1”原始創(chuàng)新項(xiàng)目（ZDBS-LY-7001）、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）（XDB31000000）、國(guó)家自然科學(xué)基金（41971071）以及云南省基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目（202201BC070001）等多個(gè)項(xiàng)目的支持。

圖1“第三極”的區(qū)域地理特征（河流、山脈及地形）與保護(hù)地體系空間分布（現(xiàn)有保護(hù)區(qū)：淺紅色；候選國(guó)家公園群：綠色）。

圖2“第三極”區(qū)域植物遺傳多樣性的空間分布格局。(A,B) 分別基于葉綠體DNA (cpDNA)和核糖體DNA (nrDNA)的單倍型多樣性（HD）。(C,D) 分別表示cpDNA和nrDNA的單倍型總數(shù)。(E,F)分別表示cpDNA和nrDNA的特有單倍型數(shù)量。各子圖左下角的色帶表示單倍型多樣性（A，B）或單倍型數(shù)量（C–F）的水平。

圖3“第三極”植物物種分布的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化。(A-D)不同時(shí)期物種豐富度及遷移方向的變化；(A-B) 從末次盛冰期（LGM）至當(dāng)前（Present）的變化，(C-D) 從當(dāng)前至未來(lái)（2090s）的變化。（E）所有物種在經(jīng)度、緯度、海拔和分布面積上的變化及其顯著性檢驗(yàn)。（F）不同時(shí)期物種潛在分布區(qū)動(dòng)態(tài)變化模式的示意圖，百分率表示各模式所占物種數(shù)的比例。

圖4基于植物遺傳多樣性和分布數(shù)據(jù)確定的“第三極”保護(hù)優(yōu)先區(qū)。保護(hù)優(yōu)先區(qū)（IPA，紅色）、現(xiàn)有保護(hù)區(qū)（PA，淺紅色）和候選國(guó)家公園群（NPC，綠色）的空間分布關(guān)系。（A–O）15個(gè)保護(hù)優(yōu)先區(qū)（每個(gè)區(qū)域面積≥4200 km2）以紅色邊框顯示，并按面積大小以字母順序排序。

文：劉杰