氣候變化和人類活動對全球生物多樣性構成了嚴重威脅。有關研究報告預示，在未來幾十年內，約有40%的植物物種將面臨滅絕風險。盡管自然保護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)多樣性的評估，尚未有效地整合遺傳多樣性指標。作為生物多樣性的關鍵組成部分，遺傳多樣性代表了種內個體間的遺傳變異總和，是支撐物種適應氣候變化、維持進化潛力以及保障生態(tài)系統(tǒng)功能與恢復力的基礎。聯(lián)合國《生物多樣性公約》(CBD)明確強調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次締約國大會形成的《昆明-蒙特利爾全球生物多樣性框架》(GBF)提出，到2050年要實現(xiàn)遺傳多樣性的總體穩(wěn)定，力爭保護每個物種至少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%的動植物遺傳多樣性已經(jīng)喪失，未來的喪失速率尚難以預測。盡管已有研究揭示了國家乃至全球尺度遺傳多樣性的分布格局及驅動因素，但對大尺度區(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準化數(shù)據(jù)分析。更為關鍵的是，遺傳多樣性指標尚未被系統(tǒng)整合到保護地體系優(yōu)化的實踐中。

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個全球生物多樣性熱點地區(qū)，孕育了約18,000種維管植物，其中約20%為特有種，是我國最重要的生態(tài)安全屏障，也是實現(xiàn)“雙碳”目標的關鍵區(qū)域。全球氣候變化和人類活動已嚴重威脅到“第三極”的生態(tài)安全。過去50年間，該區(qū)域呈現(xiàn)明顯的暖濕化趨勢，平均溫升幅度達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)了一系列級聯(lián)效應，深刻影響了區(qū)域內冰川、凍土、湖泊等生態(tài)與環(huán)境要素。與此同時，人口增長、過度放牧及基礎設施建設等人類活動不斷加劇，對地表覆蓋造成顯著干擾，嚴重破壞了生態(tài)系統(tǒng)的完整性。為應對上述挑戰(zhàn)，“第三極”區(qū)域內已建立了50余個國家級保護地，約占區(qū)域總面積的25.54%(圖1)。近年來，為解決保護地空間分布分散、生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務覆蓋不足等問題，我國提出建設第三極國家公園群的發(fā)展規(guī)劃，有望將保護地覆蓋率提升至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)服務功能等指標，但對直接關聯(lián)物種適應和進化潛力的遺傳多樣性仍缺乏系統(tǒng)考量。這一關鍵指標的缺失，可能削弱該區(qū)域保護地體系在應對快速氣候變化中的韌性，并限制其長期的保護成效。

中國科學院昆明植物研究所李德銖團隊通過國際合作，采用多學科交叉的方法，以青藏高原及周邊山地構成的“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，預測了氣候變化驅動下物種分布的動態(tài)變化，并量化了未來潛在的遺傳多樣性喪失率。在此基礎上，該團隊整合遺傳多樣性與其它關鍵保護要素，提出了“第三極”保護地體系優(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測因子，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)位模型預測表明，未來氣候情景下(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)保護規(guī)劃結果顯示，新確定的保護優(yōu)先區(qū)中有71.20%位于現(xiàn)有保護區(qū)和規(guī)劃中的國家公園群之外(圖4)。據(jù)此，研究團隊建議在“第三極”區(qū)域調整擴大現(xiàn)有保護地體系，新增保護面積2.02×105km2(占區(qū)域總面積的5.91%)，使總保護面積達到1.36×106 km2(占區(qū)域總面積的39.93%)(圖4)，從而更全面地保護物種的遺傳基礎與演化潛力。本研究嘗試將遺傳多樣性指標整合到生物多樣性保護規(guī)劃中，不僅為“第三極”保護地體系的優(yōu)化提供了新的思路，對其它關鍵區(qū)域的生物多樣性保護也具有重要的理論價值和實踐意義，可為全球生態(tài)脆弱區(qū)域的保護規(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)學領域國際權威期刊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Marc W. Cadotte教授、英國亞伯大學Jim Provan教授和斯特林大學Alistair S. Jump教授等參與了此項工作。研究相關數(shù)據(jù)已同步存儲于國家青藏高原科學數(shù)據(jù)中心和Zenodo平臺。該研究得到了中國科學院"從0到1"原始創(chuàng)新項目(ZDBS-LY-7001)、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項(B類)(XDB31000000)、國家自然科學基金(41971071)以及云南省基礎研究重大項目(202201BC070001)等多個項目的支持。

圖1“第三極”的區(qū)域地理特征(河流、山脈及地形)與保護地體系空間分布(現(xiàn)有保護區(qū)：淺紅色;候選國家公園群：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”植物物種分布的時空動態(tài)變化。(A-D)不同時期物種豐富度及遷移方向的變化;(A-B) 從末次盛冰期(LGM)至當前(Present)的變化，(C-D) 從當前至未來(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。(F)不同時期物種潛在分布區(qū)動態(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”保護優(yōu)先區(qū)。保護優(yōu)先區(qū)(IPA，紅色)、現(xiàn)有保護區(qū)(PA，淺紅色)和候選國家公園群(NPC，綠色)的空間分布關系。(A–O)15個保護優(yōu)先區(qū)(每個區(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。