環境與生態

移動的森林

面臨氣候惡化,樹木無法自行遷移到更適合的地方生存,科學家找來更強韌的同類樹木,散播有利生存的基因,增強它們的適應力。

撰文/撰文╱羅斯納(Hillary Rosner)
翻譯/翻譯╱林雅玲

環境與生態

移動的森林

面臨氣候惡化,樹木無法自行遷移到更適合的地方生存,科學家找來更強韌的同類樹木,散播有利生存的基因,增強它們的適應力。

撰文/撰文╱羅斯納(Hillary Rosner)
翻譯/翻譯╱林雅玲


加拿大溫哥華卑詩大學校區的一側有處田野,生長了大約500棵參天大樹的「美國西川雲杉」(Sitka spruce)。2013年的一個春日,這些有著三角外形針葉、深綠色的雲杉參差不齊地生長在一起,雖然它們都是七年前種下的,但高度差異很大,看起來宛如小學生排排站在一起拍團體照。


最矮的雲杉大約60公分高,來自美國阿拉斯加的科迪亞克島;最高的將近兩公尺,來自俄勒岡州。高度不是唯一明顯可見的差異,來自阿拉斯加的雲杉比俄勒岡州的雲杉早了三個月冒芽,足足差了一季;而且無論溫度多低,阿拉斯加的雲杉也長保健康與青綠。


這些雲杉會種植在這裡,是因為研究人員想了解樹木如何適應當地環境。樹木生長在適合的棲地,聽起來很正常,但其中的細節相當重要,因為有一個迫在眉睫的威脅:隨著全球暖化,棲地環境也隨之改變,然而樹木無法自行遷移尋找新的棲地,如果物種演化跟不上氣候變遷的腳步,就面臨滅絕的命運。


由於樹木無法自行移動,科學家正在嘗試一種新的解決方案:遷移植物的基因,這也是加拿大卑詩大學森林保育遺傳學中心主任艾肯(Sally N. Aitken)培植雲杉森林的原因。艾肯認為,要拯救卑詩省和世界各地的森林,有賴施行「輔助基因流動」(assisted gene flow)策略:藉由遷移擁有特定性狀的物種到不同棲地,幫助物種獲得適應未來環境的能力。美國俄勒岡州和阿拉斯加的美國西川雲杉可能擁有能幫助彼此適應環境的基因,但若沒有人為介入,它們永遠不會遇到並生長在一起。


森林科學家可以扮演樹木的媒人,例如把低海拔的雲杉或柱松的種子種植在高海拔地區。當高海拔地區的溫度升高,這些新安置的樹木也長大了,可以和當地的同類樹木雜交,在當地傳播它們適應高溫的基因,以協助森林提高適應環境的能力,輔助基因流動策略可能是協助物種演化的驅動力。


不過,我們不可能只是單純把俄勒岡州的一棵樹移到1600公里遠的加拿大卑詩省北部,然後等待氣候變遷、溫度上升,因為無法藉由「在地遺傳適應」(local genetic adaption)提升物種適應環境的能力,因此基因流動這個變通想法相當吸引人。舉例來說,柱松分佈在加拿大各省,來自不同棲地的基因能幫助樹木更耐熱、耐冷、耐乾旱或是抵擋當地病蟲害。如果北極冷鋒橫掃溫哥華,來自溫暖地區的樹木就遭殃了。艾肯說:「我們需要循序漸進進行這些步驟,未來幾十年的氣候變化會很劇烈,這些樹木必須撐過每一年、每個月和每星期之間的氣候變異。」


選對樹苗、種對地方


釐清如何讓種子適應未來氣候是很困難的任務,但是卑詩省的林業佔加拿大林業出口量的1/3,而且有將近一半的森林屬於經濟林木,因此這個議題至關重要。地方法規要求砍伐森林後必須再種植,以維持未來木材的供應與生態系的健全。每年大約種植2億5000萬苗木,使用哪裡的種子以及種在何處是複雜且緊迫的問題,要是做了錯誤的決定,可能會毀掉未來幾十年的森林。


艾肯進行的實驗是小規模的驗證,目的是避免上述的致命失誤,她選用來自美國加州中部與阿拉斯加等14處棲地的雲杉,總共找到35段與耐寒和發芽時機相關的基因。目前艾肯團隊正利用更多品系的基因組,尋找與環境性狀相關的蛋白質的基因編碼,他們希望這些有利生存的對偶基因(allele),能與氣候變遷大約同步,在需要這些性狀的樹林棲地傳播。


一個更大型的輔助基因流動計畫AdapTree,目標則是幫助日後世界各地所需的輔助基因流動,這項工作也可能有助於保護生態系裡其他關鍵物種,例如海中的珊瑚能提供食物和棲地給其他生物。美國、阿布達比、卡達和澳洲的研究人員也建議把波斯灣的珊瑚移往印度洋–太平洋海域,藉此幫助散播耐熱基因。此外,美國中西部在復植草原的過程中發現,重新種植來自不同棲地的種子,是相當重要的工作。


艾肯和卑詩大學動物學系的族群遺傳學家惠特洛克(Michael C. Whitlock)在2013年發表的論文中,創造了「輔助基因流動」一詞。科學家和環境保護運動支持者在過去10年,持續討論一個更加宏觀的想法:輔助遷徙;通常是指把物種遷移離開其自然棲地到距離很遠的地區。不過,輔助基因在同一物種裡流動,則是更為謹慎的策略,其中的核心是遺傳學。AdapTree計畫預計在幾年後完成,屆時研究人員將分析出1萬2000種柱松和雲杉的基因序列,這些樹木來自卑詩省和亞伯達省總共250多個族群。


林地萎縮、生態系丕變


一個特定群體能否適應環境改變,條件之一取決於繁殖速度。每一個新世代,代表著獲得有利新性狀的機會,快速繁殖的山松甲蟲,比樹木更能適應改變,因為樹木壽命長且繁殖速度慢,昆蟲可能終生都感受不到氣候變遷,但是一棵樹卻是全球暖化的見證者。


輔助基因流動可能是提升森林樹木遺傳多樣性的好方法,它能散播有助於強化樹木適應環境能力的基因。隨著環境變化,有些樹木可能在短期內受害,不過其他樹木則擁有幫助森林度過難關的基因。艾肯說:「一旦那些更能適應的樹木開始繁殖,我們預期整個樹木族群又會開始擴增。」她表示,關鍵在於適應的過程有足夠的健康樹木得以與其他樹木雜交並生存。


基因流動策略有其風險,例如,增添當地基因的變異也可能傷害整個群體的生存機會。澳洲墨爾本大學的遺傳學家威克斯(Andrew Weeks)說:「你可能引入不好的對偶基因。」不過他補充說明,這個問題可能會自然解決,「這是天擇的奧妙之處,這種變種會遭淘汰。樹木基因庫的增加,讓族群在未來擁有較佳的生存機會。」


管理種子、打造未來面貌


美國林務局專家也開始權衡輔助基因流動策略的利弊,克萊爾說:「目前階段就是不斷對話和討論。」在美國,林業人員通常不會特別關注他們蒐集和種植種子地區的特定氣候變異。在同一地區移植種子,似乎因為溫度變化不大,不會影響到植物健康。


不過目前林業人員普遍認同,他們必須更留意種子移植的管理。從人們開始種樹以後,我們不斷在河流、村莊、大陸和海洋之間遷植種子。俄勒岡州立大學森林遺傳學家郝維(Glenn Howe)說:「如果我們追溯歷史,人們一直習慣移植種子,但常因不知為何要移植,很多植物的種植往往以失敗告終。」這些失敗的結果,導致林業社群發展出厭惡風險的態度。在美國西部,種子帶(seed zone)指引種子可以移植到多遠的地方,卻非常狹隘又保守。郝維說:「在氣候穩定時期,這可能是適當的移植指南,但隨著氣候變遷,過於保守的策略可能造成問題。」