Rapid adaptive evolution in novel environments acts as an architect of population range expansion

Marianna Szűcs, 2017, PNAS

Colorado State University

导读：解析哪些因子决定了物种在新环境内的生长和扩张，对于预测生物应对环境变化（如全球变暖、生物入侵等）的响应至关重要。本文设计了非常有意思的实验检测“快速适应性进化”在该过程中的作用。

面对全球范围内生态系统的迅速改变，定殖过程与扩张速率决定了物种在新环境内的数量与分布。已有证据表明，快速适应性进化在该过程中发挥着重要作用。然而，我们并不清楚，进化究竟是发生在物种在新环境内成功定殖以后还是之前。本文设计了非常有意思的实验，对此进行检测。

本研究以模式生物赤拟谷盗Tribolium castaneum为研究对象。正常条件下，培养基以小麦粉为主（95%）；新环境内，培养基以玉米粉为主（98.8%），即以食物改变作为刺激，模拟环境的变化。

实验组（有进化过程）设计如下：通过繁殖实现进化。从正常种群内取20个成体，在第一个斑块内（新环境；共5个斑块，可以连通）产卵24 h，此时斑块之间是封闭的。后将成体移出；卵留下，发育至成体。34天后，允许成体在各个斑块内自由扩散。24 h后，封闭各斑块，往斑块内添加新的培养基，产卵24 h。如此往复，重复6代。控制组（无进化过程）设计如下：与实验组的每个子代同步的时间内，一一替代掉原有成体，始终保持斑块内个体为起始状态。

实验结束后发现：进化组种群生长较快，个体大小是非进化组个体的2.89倍；进化组分布区扩张比非进化组快46%；进化组种群生长速率比非进化组快2倍。结果明显揭示，进化的存在驱动了物种在新环境内的生长速率和扩张速率。由此证明，快速适应性进化对于物种适应新环境起了巨大的推动作用。

图1. 时空尺度的密度变化，表征种群的生长速率和扩张速率

图2. 6个世代的种群大小和扩张距离

图3. 生长速率

图4. 第一代后代的扩散趋势。

本文以食物组分的调整作为刺激，模拟一种新的环境。在自然界中，类似的刺激可以表现为，生物对于新环境的入侵，或者原有栖息地丧失后、生物被动适应新栖息地。从生态系统管理的角度来看，本文具有很强的借鉴意义。例如，在恢复濒危物种时，增大其个体数，可以形成其对环境选择的缓冲力，有效增强其适应性。而在入侵生物的管理方面，控制入侵物种的交叉引入，可以降低其生长速率和种群密度，从而限制其扩张速率，有效控制生物入侵。

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