光谱辐射计“射线枪”让科学家用光而不是DNA来区分植物

芝加哥菲尔德博物馆的博士后研究员道森·怀特：“在这项新研究中，我们已经证明，你可以用光而不是DNA来定义植物种群，在类似的细节水平上。这种新方法比基因检测更快、更便宜，可以极大地提高我们绘制和监测生物多样性的效率。”

　　

“射线枪”仪器，分光辐射计。资料来源:兰斯·斯塔辛斯基

在《星际迷航》中，角色携带一个叫做tricorder的手持设备，他们可以指着物体分析和识别它们。当该剧的编剧在20世纪60年代想出这个想法时，它还只是纯粹的科幻小说，但《新植物学家》(new phyologist)杂志上的一篇新论文让这个想法离现实更近了一步。研究人员使用了一种看起来有点像射线枪的手持设备，来记录阿拉斯加不同山脉上的植物叶子如何反射光线。而且，事实证明，同一物种的不同植物种群——例如，生活在相邻山顶的植物——反射光线的方式不同，以反映彼此的基因变异。

“虽然训练有素的生物学家通常可以走进野外，用他们的眼睛识别物种，但揭示种群——基因库中同一物种的个体群体——需要花费昂贵的基因分析，这对保护和进化研究非常重要。”道森·怀特是芝加哥菲尔德博物馆的博士后研究员，也是这项研究的主要作者之一。“在这项新研究中，我们已经证明，你可以用光而不是DNA来定义植物种群，在类似的细节水平上。这种新方法比基因检测更快、更便宜，可以极大地提高我们绘制和监测生物多样性的效率。”

Dryas植物生长在阿拉斯加的山顶。资料来源:凯瑟琳·陈

“DNA就像一个说明书如何构建一个有机体,事实证明,本手册包含指令用于构建和结合最小的各个部分构成的有机体,”兰斯Stasinski说,缅因大学的研究生研究员,该论文的另一位联席作者。“我们能够利用这些部分反射的光来确定是哪一本说明书构建了有机体——即使说明书只有几个字的差异。”

所有生物都含有DNA，两种生物的DNA越相似，它们之间的关系就越密切。这在物种之间和物种内部都是正确的——你的DNA更像黑猩猩而不是狗，因为我们与黑猩猩的亲缘关系更近，而你的DNA更像你的表亲而不是世界另一端的随机陌生人。植物也是如此:即使在单一物种内，不同种群之间的DNA也存在差异。

基因研究表明，有时这些变异会以非常细微的规模出现——例如，来自一个山顶上的一个物种的植物，可以形成与几英里外山顶上的植物DNA略有不同的群体。当种群像这样分裂时，这意味着它们不会彼此分享花粉或种子，而且在基因上是隔离的。

研究人员道森·怀特分析了阿拉斯加的仙女木植物。图片来源:道森·怀特

科学家研究这些差异区分植物种群的DNA,但这是一个艰巨的任务——他们必须收集植物标本,存储,允许将它们移到实验室,然后经过很多步骤序列植物的遗传代码,并进行比较。这个过程需要几周甚至几个月的时间。然而，在这项新研究中，研究人员发现了另一种方法，可以确定两种植物种群之间的亲缘关系有多密切，这一方法最终可以在野外几乎瞬间完成。这就是射线枪发挥作用的地方。

光谱辐射计是用来测量表面反射多少光以及光包含的波长的仪器。仪器本身可以装在背包里，还有一个连接在光纤电缆上的手持探测器，看起来就像一个小型射线枪。农业科学家利用这些仪器分析从叶子反射回来的光来检测疾病。但这项新的研究表明，树叶反射的光在不同的植物种群之间是不同的。

怀特解释说:“树叶已经进化到与光相互作用的程度，这些机器在光子进入树叶、根据不同的化学和结构被吸收或反弹后记录光的差异。”“这个仪器读取从叶子反射回来的可见光和红外光，这些信息可以给你关于叶子的化学和结构的大量信息。”

研究人员凯瑟琳·陈分析了阿拉斯加的仙女木植物。图片来源:道森·怀特

怀特和他来自斯库迪克研究所和缅因大学的同事们把光谱仪带到阿拉斯加的高山栖息地，研究一种名为Dryas的小型常绿灌木。然后，他们扫描了这些植物的叶子，收集了这些植物的样本，以便稍后分析DNA。

“我们野外工作的目的是收集不同尺度植物群落的反射率数据，在这项研究中是基因型，在其他研究中是单独的物种或更粗的植物功能类型。在许多研究中，我们使用基于无人机的图像和NASA的AVIRIS ng机载传感器来绘制植被图。从地面和空中获得的关于此类植被的更精确信息在这些苔原上有很多用途，从量化野生动物栖息地到推断地下永久冻土动态，”阿卡迪亚国家公园学校迪克研究所森林生态学主任、缅因大学森林资源学院副教授彼得·r·纳尔逊说。

科学家们发现，从一个山顶到另一个山顶，树叶以不同波长反射回不同数量的光。而且，一旦他们对这些植物的基因组进行测序，他们发现这些反射的差异与植物的基因差异完全一致。这意味着，对于试图确定一种植物种群在基因上是否独特的该领域的研究人员来说，观察植物反射的光可以成为一种快速、可靠的替代长时间基因测试的方法。

怀特说:“我们非常惊讶地发现，不同的山顶在基因上是分离的，所以它们不共享花粉或种子，而且，我们可以用遗传学或这种新的光谱方法检测这些不同的山顶。”

“即使在生物复杂的情况下，叶子光谱也能很好地捕捉基因变异，这一事实令人难以置信地看好。随着技术和模型的改进，我们希望能够使用无人机测量的光谱来检测多样性，准确度与我们使用背包光谱仪的水平相同。缅因州大学的教授Dudu Meireles说。

对于致力于保护濒危物种的科学家来说，能够区分不同的植物基因群是至关重要的。

“既然我们了解到这些山顶的每一个在基因上都是独一无二的，这就意味着对保护有意义，”菲尔德博物馆馆长、该研究的作者之一里克·瑞(Rick Ree)说。“如果我们想努力保持遗传多样性，特别是考虑到由于气候变化导致高山生态系统的栖息地不断缩小，那么这意味着我们应该从每个山顶取样。”

参考文献:《阅读光:叶光谱捕捉近缘杂交北极灌木的细尺度多样性》，作者Lance Stasinski, Dawson M. White, Peter R. Nelson, Richard H. Ree和José Eduardo Meireles, 2021年9月12日，新植物学家。DOI: 10.1111 / nph.17731