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出品：科普中國

作者：Jiri Hulcr（佛羅里達大學），董乙乂（佛羅里達大學）

監制：中國科普博覽

2013年，上海苗圃的北美楓香發生了大規模死亡事件。經調查發現，罪魁禍首是一個新物種——楓香刺小蠹（dù）。這一事件很好地反映了一個事實：相比于遺傳組成更復雜的植物，具有單一遺傳組成的植物更容易遭受病蟲害的侵擾。

北美楓香

（圖片來源：澎湃新聞）

遺傳多樣性：植物應對環境變化的關鍵

遺傳多樣性是植物應對病蟲害的關鍵，它也是生物多樣性的基礎。大家都知道世界上沒有完全一模一樣的兩個人。這是因為組成每個人的DNA不完全相同。即便是同卵雙生的雙胞胎也不可能有完全相同的外貌（生物學上一般稱為表型）。

我們可以簡單地把DNA的不同理解為遺傳多樣性。遺傳多樣性是指同一物種內的個體之間在基因水平上的差異（物種間的不同被稱為生物多樣性）。這種差異決定了植物形態、顏色以及對環境的適應性方面的表現，如抗旱、抗寒、耐熱和抗病蟲害能力。

高水平的遺傳多樣性使得不同的個體面對環境有不同的響應能力。有些個體面對挑戰不能幸存，但有些個體卻可以，這確保了整個群體的生存與繁衍。例如，在同一種松樹中，有的個體可能比其他個體更能耐受干旱條件，或者對某種病害具有更高的抗性。類似的現象在人類中也很常見，比如有些人對某些疾病（如瘧疾）具有先天的抗性，而其他人則更容易受到感染。

植物的遺傳多樣性為物種整體抵御外界各種威脅提供了保障。更高的遺傳多樣性則意味著種群中可能存在具有不同抗性的個體，從而在面對特定的新病蟲害時表現出更強的群體生存能力。例如，月桂枯萎病（一種植物病原菌）在美國南部爆發時，盡管大部分月桂樹被病害殺死，但仍有少數個體幸存下來。這些幸存個體可能攜帶抗病基因，成為未來種群重建的遺傳基礎。

假設森林里雖然有多個樹種，但每個樹種的遺傳組成都完全相同（例如都來自同一克隆），那么這些樹種對病蟲害的反應或抵抗能力就幾乎沒有差異。一旦某種病蟲害爆發，整個物種都可能面臨毀滅性的打擊。這正是遺傳多樣性在單一樹種中的關鍵作用。

即使在一個森林中存在多種樹種，我們也必須確保每個樹種內部具有足夠的遺傳多樣性。只有具備足夠的遺傳多樣性，才有可能在病蟲害來襲時保留具有抗性或適應能力的個體，這些個體將成為未來種群恢復的關鍵。

這就是為什么在造林時，除了種植多物種混交林以提高森林的群落多樣性之外，還需要確保每種樹的種子都來自不同的種源，避免只使用克隆樹種或遺傳單一的種群。

病蟲害發生的誘導因素

目前，我們正面臨一個日益嚴峻的挑戰——外來病蟲害的威脅。與此同時，極端氣候的變化為病蟲害的發生創造了更多的機會，它們就像“隱形殺手”，悄無聲息地威脅著植物的健康。以草地貪夜蛾（fall armyworm）為例，這種原產于北美的害蟲在中國可以取食并危害多種農作物，導致植物落葉甚至死亡。

草地貪夜蛾

（圖片來源：搜狐新聞）

據不完全統計，2019年稻瘟病菌在中國導致玉米生產損失約1400萬元。稻瘟病菌作為水稻的主要真菌病害之一，其傳播途徑多樣，包括空氣、昆蟲、雨水和土壤等。在1975至1990年間，全球水稻產量因稻瘟病菌下降30%，損失1570萬噸糧食；僅中國，每年即損失約300萬噸糧食。

氣候變化所誘導的蟲害，如小麥蚜蟲。它是小麥的主要害蟲之一，近年全球氣溫的升高導致其發生期有所提前。這意味著一年中，小麥蚜蟲發生的總時間增加，從而使得其數量也大大增加，導致危害加重。?

而植物本身遺傳多樣性的降低也是另一原因，對于那些大面積種植在遺傳組成上相同的同一作物的區域（大型同質種植園、人工種植純林），病蟲害的問題尤為突出。

在很多地區，為了方便管理和追求更高的經濟效益，組織者在同一區域種植來自統一培育的樹苗，這使得該區域內的所有植物在遺傳組成上沒有變異。這些種植園就像是待宰的“羔羊”。

低遺傳多樣性意味著它們對環境變化的適應能力減弱。當面臨氣候變化、土壤退化等環境壓力時，遺傳單一的植物可能因足夠的遺傳變異來適應這些變化，從而逐漸衰退。更為關鍵的是，由于遺傳上的相似性，一旦某種病蟲害能夠感染一株植物，這種病蟲也很可能感染種植園中的其他植株，導致病蟲害的快速蔓延。

然而，即便是遺傳多樣性豐富的野生樹種，也可能難以抵御某些新的入侵害蟲。例如，北美的白蠟樹雖然具有較高的遺傳多樣性，但仍無法抵抗入侵的白蠟窄吉丁蟲（emerald ash borer）。這種害蟲原產于亞洲，在那里，白蠟樹已經與其共同進化并擁有對這種害蟲的防御機制。然而，北美的白蠟樹未經歷過類似的進化選擇壓力，因此對這種入侵害蟲毫無抵抗能力，導致數千萬棵白蠟樹死亡。這一案例表明，即便一個物種具備豐富的遺傳多樣性，若其進化歷史中未曾接觸到特定的生物威脅，依然可能在面臨新威脅時遭受嚴重損失。

展示了北美楓香（Liquidambar spp.）正在遭受楓香刺小蠹（Acanthotomicus suncei）的危害。

（圖片來源：Jiri Hulcr）

如何增加樹木的遺傳多樣性？

未來隨時可能出現新的病蟲害，雖然我們無法準確預測每一種威脅，但可以通過增加遺傳多樣性來提升植物的防護能力。以下是幾種有效的策略：

1.遺傳多樣性為優先：種植植物時，不完全以經濟效益、產量最大化為導向。我們需要調整優先級，從產量最大化轉變為遺傳多樣性、生物多樣性的最大化。

2.合理的疏伐策略：在對林地進行疏伐時，我們應盡量保留具有遺傳多樣性的個體，而非僅依據當前的需求(例如更高的產量和生長速度)無差別地移除植株。這不僅保留了不同的表型，同時又促進了物種遺傳多樣性的延續。

3.實行開放授粉（open pollination，通過昆蟲、風、鳥類等自然機制進行授粉）：減少人為干預，采用自然授粉機制能夠增加基因的自然變異。這種方法能夠促進基因的自然選擇和多樣性的增加，提高物種的生存率。也可以在不依賴于特定抗性基因的情況下，增強整個種群的適應性和抵抗力。

4.改變造林方式：以往的植樹造林只是種植從少數幾個品系繁育而來的植株，這些植株的遺傳基礎相對單一。從長遠角度看來，種植這樣遺傳單一的克隆植株可能并不能真的恢復森林的健康和韌性。可能更簡單、經濟的做法是讓森林從種子開始進行自我恢復。我們應該致力于保護森林里的自然再生幼苗。并在適當時提供必要的支持，而不是依賴遺傳性單一的克隆植株。

5.種植混合林：例如，歐洲持續的高溫天氣，引發了云杉八齒小蠹（Ips typographus）對云杉（spruce）種植園的嚴重破壞。我們需要具有不同年齡和種類的混合林，這不僅能夠增強森林的抗性和韌性，還能確保林業經濟的長期穩定和可持續性。

6.重視林業教育：在即時利潤的驅動下，全球專注于林業教育的學校正在減少，這使得林業相關學位的提供也在縮減。這在以種植木材生產為主導的南半球尤為明顯。我們需要重視起來，以確保林業、森林保護相關的專業知識不會隨著時間的流逝而被邊緣化或遺忘。

7.加強公眾對遺傳多樣性的意識：有關的教育部門和機構，可以利用新媒體等手段對遺傳多樣性和生物多樣性保護相關內容進行科普或專題宣講，提高公眾對遺傳多樣性的重要性的認識。

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