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我們生活中常見的銀杏樹,卻是一種瀕危物種?基因測序透露答案

2021-09-09由 坐景觀天 發表于 農業

同株異花的基因相同嗎

導語

作為銀杏的原產國,中國的銀杏種植、觀賞歷史久遠,範圍寬廣,涵蓋了極其豐富、深厚的文化底蘊。

古時,銀杏蒼勁的體魄和清奇的風骨受到世人的青睞,王維、蘇東坡等著名詩詞家為其寫下讚美之作。

1983年時,銀杏樹被正式宣佈為四川成都的市樹,

多年來,成都人對其產生了一種特殊的情節與喜愛。

我們生活中常見的銀杏樹,卻是一種瀕危物種?基因測序透露答案

鋪天蓋地的銀杏葉

“一夜寒霜降,滿城銀杏黃”,每到金秋時節,國內一些城市的街道便會被銀杏落葉鍍上一層耀眼的黃色,當地人形象地將其稱呼為“

黃金大道

”。

這種高大的落葉喬木憑藉著挺拔的軀幹與芳華絕代的落葉蹁躚,成為各大地區有名的觀賞植物。近年來,許多高校也偏愛在校園內種植大片的銀杏林,其中不乏成為引發熱議的“網紅景點”。

我們生活中常見的銀杏樹,卻是一種瀕危物種?基因測序透露答案

銀杏路已成網紅景點

銀杏如今已廣泛種植於全世界,深入了人們的日常生活,成為秋天街邊的一道靚麗風景線。然而,這滿大街可見的銀杏樹,竟然被列入

《世界自然保護聯盟瀕危物種紅色目錄》

,也就是說,

銀杏是一種瀕危物種

,其瀕危程度甚至還引起了學界的廣泛關注。

植物界的“活化石”

銀杏樹被譽為植物界的“

活化石

”,其單體壽命相當可觀,通常情況下,一棵銀杏樹能存活超越

1000年

,穩奪“

長壽之王

”的寶座。

《美國國家科學院院刊》(PNAS)雜誌刊登了有關銀杏長壽的研究成果,科學家們發現銀杏長壽的秘訣在於

其生長過程中產生的大量保護性化學物質。

這些物質包括

氧化劑、抗菌劑等上百種植物荷爾蒙

,能夠幫助銀杏樹抵禦各類疾病和惡劣的自然環境。

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銀杏長壽

普通植物到了一定時間,

體內與衰老有關的基因便會自行“啟動”,不可逆轉地步入老化階段。

銀杏樹卻打破這一自然規律,其基因中並沒有類似的程式存在,即便年齡不斷增長,它們的抗病能力和環境適應能力也不會有所下降。

簡而言之,

銀杏的防禦體系非常強大且持久,它們的基因天然缺乏有關衰老的指令與程式。

如此“逆天”的能力讓人豔羨不已,我們也不難理解,為什麼銀杏能夠成為植物界的“活化石”了,因為

它們的壽命實在是太過漫長

我們生活中常見的銀杏樹,卻是一種瀕危物種?基因測序透露答案

被稱為“活化石”的銀杏葉

銀杏曾與恐龍處於同一時代

,見證了地球由遠古到現代的巨大變遷。大約兩億七千年的二疊紀,整個銀杏家族還非常旺盛,和它相親的

義馬銀杏、無柄銀杏、鐵線蕨葉銀杏等銀杏

類植物在大地上茂密地生長著。

銀杏類植物在侏羅紀和早白堊紀發展至鼎盛,五個科同時存在,世界各大洲都遍佈著它們的身影,

赤道是唯一沒有被佔據的地方。

在三疊紀末和白堊紀末大滅絕中,生物多樣性遭受重創,大量遠古生物滅絕,銀杏綱物種也不例外。除了現在的這一種銀杏外,銀杏家族幾乎全軍覆沒,於自然界絕跡。

我們生活中常見的銀杏樹,卻是一種瀕危物種?基因測序透露答案

銀杏群體結構分析

白堊紀後期,被子植物迅速崛起並大肆生長,銀杏和其它裸子植物的生存空間進一步惡化。再加上寒冷氣候的影響,銀杏的分佈地區開始急劇縮小,數量銳減至絕滅的邊緣。

中國的銀杏大化石記錄最早可追溯至始新世

,如今,中國南部也已經成為銀杏在地球上最後的棲息地,

現存的銀杏也是銀杏門植物中唯一的成員。

我們常常見到xx門、xx綱,其實就是科學家對生物的分類劃分,一共有

界、門、綱、目、科、屬、種

幾大類。從進化論來看,幾乎所有的生物都存在近親關係,至少也得有同屬“綱”的物種。

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銀杏分類

然而,銀杏如今卻被劃分為

銀杏綱-銀杏目-銀杏科-銀杏屬-銀杏種

,換句話說,如果銀杏滅絕,那麼這一門的植物將永遠消失在地球上。所以,銀杏的珍稀程度可見一斑。

遍佈世界卻成瀕危物種

此外,判斷植物珍稀程度的條件與動物不同,

數量並非是決定性因素,其基因的多樣性和野外分佈情況才是最需要考慮的

。銀杏不但淪為銀杏綱目僅存的獨苗,其野外生存狀況也是極其不容樂觀。

此前的調查顯示,只在

浙江天目山的山林裡發現了野生銀杏大樹

,並且,在其周圍已經有大約

10年

沒有出現過天然更新的幼樹,

成活的銀杏幼苗幾乎也不會超過3年

。和華南虎一樣,銀杏幾乎快要被宣佈野外滅絕。

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天目山萬年銀杏樹

與野生銀杏樹所面臨的新生危機不同,

人工繁殖的銀杏可謂生機勃勃

。如今我們在街道兩旁能夠見到的大量銀杏,都是透過人工繁育而來的。

銀杏自然的播種時間實在太長,透過人工插杆和移植便能短時間內栽培出新的銀杏樹,種植出一大片銀杏樹林來。

然而,這種人工繁育而來的銀杏與天然繁殖的銀杏有著本質上的區別,嚴格意義上來說,

插杆其實等同於“克隆”。

硬枝扦插是一種無性繁殖,只攜帶有雌株或雄株的基因,

也就是說,透過插杆種植出100萬棵銀杏樹也都是1棵銀杏母體的“翻版”,它們在基因多樣性上沒有任何區別。

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扦插類別

過高的基因相似性是非常不利於生存繁衍

的,因為這意味著它們難以適應環境的變化,一旦外界發生較大的改變,物種很有可能便會直接滅絕。

例如

疾病的傳染

,基因相似的個體都沒有抵禦這種疾病的能力,那麼這一種群的數量將會大幅下降,最終絕跡。

天然傳播、種子自然發育

的銀杏便不會存在這種問題,作為雌雄異株植物,銀杏必須透過雌雄結合的有性繁殖方式才能生長出果實,

所以天然銀杏樹的種子基因是會變化的。

我們生活中常見的銀杏樹,卻是一種瀕危物種?基因測序透露答案

銀杏種子

缺乏野生物種、單一的遺傳、同屬內多樣性日漸減少、天然幼苗存活期短暫、分佈地區日趨侷限、依賴人工繁殖,

銀杏樹可以算是迎來了演化的衰落期,難怪會被列入瀕危物種名錄了。

即便如今人工種植銀杏的技術已經非常成熟,銀杏早已成為屢見不鮮的觀賞植物,但它的保護等級也不會隨之改變。

對於珍稀動植物的保護,保留個體只是最基本的目標,科學家們更看重的是

保護物種和生態的多樣性,以及基因和遺傳多樣性。

我們生活中常見的銀杏樹,卻是一種瀕危物種?基因測序透露答案

基因多樣性

基因測序:銀杏的遺傳變異可能性

眼下,銀杏極為單一的基因預示著屬於它的時代即將走到盡頭,銀杏基本上已經不存在任何“親緣”,它的家族早已不再像數萬年前一般繁茂龐大,一旦現存的銀杏無法適應不斷變化的環境,那麼它們就會徹底成為活在歷史記憶中的標本。

銀杏真的迎來了其生存的末端嗎?浙大生命科學學院的科學家對銀杏進行了基因測序,結果令人感到欣慰,

銀杏的基因還存在遺傳變異的可能性

一個物種是否真正到了窮途末路,關鍵在於其是否維持著較高水平的遺傳變異

這其實也很好理解,生物進化會導致後代與祖先的差異越來越大,就拿人類來說,現代智人與遠古時期的人類在外觀上就存在顯著的差別。

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人類進化

但銀杏的外觀與發現的上億年前的化石相比,幾乎沒有任何不同,也就是說銀杏至少

2億年

沒有發生形態變化。這在進化生物學領域稱為罕見的“

形態靜滯

”,但

這並不能說明銀杏的基因不會再次變異。

在研究中,科學家利用特異性位點擴增片段

(SLAF)

測序技術,利用來自一棵銀杏樹的

94 顆種子

的巨型配子體構建了高密度遺傳圖譜。

這項研究對於銀杏的保護與未來發展狀況具有重大的意義,實驗中採取的銀杏是

來自世界範圍的最廣泛的銀杏樣品,包括大多數有記錄的古銀杏樹。

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銀杏基因實驗

研究人員一共從

51 個種群中抽取了 545 個銀杏個體

,幾乎涵蓋了全球所有的銀杏自然分佈和生長地點。透過對 545 個銀杏基因組進行重測序,揭示了這一活化石的進化歷史。

並且,

利用核和葉綠體基因組資料,

人們得以知曉銀杏地理分佈的主要生物氣候變數,瞭解了自然選擇在銀杏種群生存和恢復中的潛在作用。

儘管理論上的成果令人驚喜,但事實卻非常嚴峻,因為野外銀杏種群根本沒有更新幼樹,而

野外發展出幼苗是銀杏再次被“盤活”的基礎。

我們生活中常見的銀杏樹,卻是一種瀕危物種?基因測序透露答案

銀杏幼苗

野生銀杏由於繁殖困難,根本無法形成樹林,所以即使它們的基因存在遺傳變異可能性,也不存在發生的客觀條件。

香蕉也曾經歷滅絕?

事實上,類似於銀杏處境的還有

香蕉

,這種遍及全球、產量豐厚、家喻戶曉的“現象級水果”。

我們現如今常吃的香蕉,應該叫做

華蕉

,和20世紀初期盛行的

大麥克蕉

不是同一個品種。歷史上,

大麥克蕉受尖孢鐮刀菌引起的香蕉黃葉病影響,幾乎已經“滅絕”了,世界範圍內的香蕉種植業都遭受重創。

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香蕉也曾滅絕

究其本源,還是

和基因多樣性減少有關

。香蕉是一種

三倍體植物

,經由人工長期雜交育種,

已經不能實現有性生殖,所以香蕉只能依賴人工無性生殖不斷“克隆”。

但從商業角度來說,這是最為有利的,因為基因組高度相似的香蕉往往味道穩定、品質統一,能夠帶來較大的經濟效益。

然而,當疾病來臨時,這些堪稱完美經濟作物的香蕉卻如臨大敵。因為

同樣優秀的香蕉個體內部不會再進化,它們都沒有抵抗疾病的能力和手段。

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人工繁殖的香蕉

黃葉病被稱作香蕉界的“艾滋”,

感染後的香蕉會從葉片開始枯萎,隨後整體腐爛,就連種植的這片土地也會隨之被汙染,至少50內無法再種植香蕉。

曾是歐美最主要栽培品種的大麥克香蕉竟然在百年不到的時間內便隕落了,香蕉面臨著有史以來最大的生存危機。

拯救香蕉種植業的正是中國的香蕉品種華蕉,受地域和基因的差異,

華蕉具有很強抵抗黃葉病的能力。

很快,在此浩劫中頑強存活下來的華蕉也漸漸在世界範圍內得到推廣,成為世界主要栽種的香蕉品種。

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香蕉黃葉病

針對類似銀杏一樣的瀕危植物,我國現已設立了

植物基因池

透過人工干預雜交的方式來挽救稀有植物的瀕危現狀。

但是介於大麥克蕉的前車之鑑,如果銀杏樹之間面臨這樣一場流行病,那麼它們就同樣將面臨極大的生存危機。