一種新技術(shù)可以經(jīng)濟(jì)有效地分析來(lái)自化石植物和動(dòng)物遺骸的遺傳物質(zhì)。來(lái)自瑞士聯(lián)邦森林，雪地和景觀研究所WSL以及洛桑和伯爾尼大學(xué)的研究人員利用這種技術(shù)檢測(cè)了提契諾州湖泊沉積物中發(fā)現(xiàn)的銀杉針的DNA。他們發(fā)現(xiàn)了森林如何對(duì)農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)作出反應(yīng)的線索。

新工藝?yán)肈NA技術(shù)的最新進(jìn)展，從史前植物和動(dòng)物中分離出古DNA(aDNA)。然而，迄今使用的技術(shù)是昂貴的。洛桑大學(xué)生態(tài)與進(jìn)化系教授納迪爾·阿爾瓦雷斯說(shuō)：“由于人口遺傳學(xué)家經(jīng)常需要幾十個(gè)樣本來(lái)做出可靠的陳述，許多研究思想目前在經(jīng)濟(jì)上并不可行。”

由Alvarez和他的同事Christoph Sperisen(WSL的人口遺傳學(xué)家)，Willy Tinner(伯爾尼大學(xué)古生物學(xué)教授)和Sarah Schmid(洛桑大學(xué)的生物學(xué)家)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組現(xiàn)在開(kāi)發(fā)了一個(gè)成本 - 有效的替代品，并在提契諾州的Origlio湖中發(fā)現(xiàn)了亞化石銀杉針的潛力。該團(tuán)隊(duì)在研究期刊“生態(tài)學(xué)與進(jìn)化方法”中展示了這些結(jié)果。

在大海撈針

使用亞化石遺傳物質(zhì)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。“aDNA通常是碎片化的，化學(xué)損傷的，并且被細(xì)菌和真菌的遺傳物質(zhì)污染，”Sperisen解釋說(shuō)。“例如，在湖泊沉積物中收集的樣本中，只有每百分之一的DNA分子來(lái)自銀杉。”因此，提取DNA就像在大海撈針中尋找一根針。

到目前為止，研究人員通過(guò)將DNA序列的化學(xué)制造對(duì)應(yīng)物引入樣品溶液中來(lái)提取DNA，因?yàn)镈NA由兩條鏈組成，實(shí)際上鏡像序列的構(gòu)建塊相互連接。微小的金屬珠附著在制造的DNA上。一旦人工DNA與aDNA結(jié)合，就可以用磁鐵提取整個(gè)結(jié)構(gòu)。

然而，高達(dá)90%以上的植物和動(dòng)物DNA由沒(méi)有已知功能的部分組成，例如大多數(shù)空白頁(yè)的食譜。新技術(shù)hyRAD-X不分析整個(gè)DNA鏈，而是特異性地使用表達(dá)的基因組部分(即包含構(gòu)建蛋白質(zhì)的說(shuō)明的那些部分)。這些部分還使用酶產(chǎn)生，這種創(chuàng)新將aDNA分析的成本降低了十倍。由于每一滴灰塵都含有外來(lái)DNA，這項(xiàng)工作必須在潔凈室內(nèi)進(jìn)行，就像WSL新的國(guó)家植物保護(hù)實(shí)驗(yàn)室一樣。

Origlio湖的石器時(shí)代森林

在Origlio湖農(nóng)業(yè)出現(xiàn)之前和期間，研究人員利用這項(xiàng)新技術(shù)研究了銀樅的遺傳多樣性。古生物學(xué)家Tinner研究了湖泊沉積物的核心，發(fā)現(xiàn)了木炭沉積物以及谷物花粉和侵入性雜草，指出了7,500至5000年前人們?yōu)榱烁睾湍翀?chǎng)而焚燒森林的第一次農(nóng)業(yè)活動(dòng)。在全新世的下半部分，所有提契諾州的熱愛(ài)銀杉站都被殺掉了;栗樹(shù)現(xiàn)在在他們的地方生長(zhǎng)。

結(jié)果表明，銀杉林(及其遺傳多樣性)隨著農(nóng)業(yè)的曙光而縮小，并在大約6200年前恢復(fù)。“不同年齡的銀穗的DNA比較顯示，國(guó)內(nèi)林分在不涉及其他地區(qū)的銀杉的情況下重新進(jìn)行遺傳再生，”Sperisen說(shuō)。

遺傳多樣性是決定人口應(yīng)對(duì)環(huán)境變化能力的關(guān)鍵。例如，高遺傳多樣性增加了適應(yīng)更干燥氣候的機(jī)會(huì)。了解以前從人類干預(yù)中遺傳恢復(fù)的生態(tài)系統(tǒng)如何表明它們?nèi)绾螒?yīng)對(duì)全球氣候變化以及當(dāng)前土地使用方式的變化。因此，研究人員現(xiàn)在希望在其他化石植物樣本上使用hyRAD-X技術(shù)來(lái)澄清，例如，在提契諾州，已經(jīng)滅絕，喜愛(ài)熱的銀杉具有特定的遺傳特性，這些遺傳特性在溫暖的氣候條件下可能非常重要。

2015年，WSL開(kāi)設(shè)了一個(gè)潔凈室，研究人員在超壓下工作，防止花粉，灰塵或任何其他雜質(zhì)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。人口遺傳學(xué)家使用來(lái)自植物和動(dòng)物的亞化石材料來(lái)分析DNA，從而深入了解過(guò)去的生態(tài)系統(tǒng)。潔凈室位于國(guó)家植物保護(hù)實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室由WSL與瑞士聯(lián)邦環(huán)境辦公室FOEN和聯(lián)邦農(nóng)業(yè)辦公室FOAG共同建造。

* Subfossil =任何沒(méi)有化石或僅部分化石的史前生物。與化石不同，亞化石可以使用C14方法標(biāo)注日期。