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在全球气候变化背景下，气溶胶产生的灾难（如核战争、小行星撞击）威胁农业生产。研究人员以大麦、玉米、水稻和高粱为对象，用作物生长模型和梯度森林偏移法研究其影响，发现地方品种适应性失衡，目前适应性多样性不足，该研究为应对灾难提供参考。
在地球的生态舞台上，气候如同一位无形却又极具影响力的导演，掌控着万物生长的节奏。近年来，随着全球气候变化的加剧，各类极端气候事件频繁上演，给人类社会带来了诸多挑战。而气溶胶产生的灾难性事件，如核战争、小行星撞击等，虽然发生概率较低，但一旦发生，其引发的气候剧变将对人类生存构成严重威胁。这些灾难产生的气溶胶会阻挡太阳辐射，使地球气温骤降，降水模式改变，进而对农作物的生长产生深远影响。尤其是那些经过长期自然选择和农民培育，适应了当地环境的传统农作物品种 —— 地方品种（landraces），它们在这场突如其来的气候巨变中面临着巨大的生存考验。
目前，关于气候变化对农业影响的研究大多聚焦于整体趋势，忽视了作物物种内部的多样性，特别是地方品种的适应性变化。在面对可能的气候灾难时，这些地方品种能否继续为人类提供稳定的粮食供应？现有的遗传多样性是否足以支撑农业在极端气候下的韧性？这些问题亟待解决，因为它们直接关系到全球粮食安全和人类的未来。
为了揭开这些谜题，宾夕法尼亚州立大学（Pennsylvania State University）的研究人员展开了一项深入研究。他们以高粱（Sorghum bicolor (L.) Moench）、玉米（Zea mays L.）、水稻（Oryza sativa L. subsp. indica 和 Oryza sativa L. subsp. japonica）和大麦（Hordeum vulgare L.）这四种全球重要的谷类作物为研究对象，这些作物的地方品种在小农农业中占据重要地位。研究人员通过一系列实验和分析，揭示了气候灾难对地方品种适应性的影响机制，相关研究成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员在此次研究中主要运用了以下几种关键技术方法：
- 作物生长模型（Cycles agroecosystem model）：利用该模型模拟不同气候情景下地方品种的生长和压力参数，考虑了作物的种植日期、生长周期等因素，以更准确地反映实际气候对作物的影响。
- 基因组分析技术：对大量地方品种进行基因分型，获取高分辨率的基因数据，并通过筛选与环境相关的单核苷酸多态性（SNP），确定可能参与环境适应的基因位点。
- 梯度森林（Gradient Forest，GF）模型：构建 GF 模型来描述当前基因型 - 环境关系，并预测气候灾难后地方品种的适应性变化。通过计算基因组偏移（Genomic Offset）来量化适应性失衡的程度。
研究结果
气候情景模拟
研究人员选取了六种核战争情景，模拟不同数量的平流层黑碳气溶胶（soot）对全球气候的影响。结果显示，核战争产生的黑碳气溶胶会在全球范围内扩散，阻挡太阳辐射，导致全球气温迅速下降。在所有情景中，地表短波辐射在战后第 2 年降至最低，全球平均气温在战后第 3 年达到最低点，其中北半球降温更为明显。例如，在 150 Tg 美俄核战争情景下，玉米、高粱、水稻（粳稻和籼稻）和大麦的生长季日均温与对照年相比，分别下降了 11.3 °C、13.1 °C、14.3 °C 和 12.1 °C。
基因型 - 环境关联分析
为了探究地方品种的适应性遗传基础，研究人员对大量地方品种进行基因分型，并通过部分冗余分析（pRDA）和文献综述，确定了与环境变异相关的基因位点以及开花时间网络基因中的 SNP。将这些基因位点用于构建 GF 模型，结果表明，模拟成熟天数等环境参数是描述遗传数据集变异的重要预测因子，且不同作物在不同生长阶段对环境压力的响应存在差异。
GF 模型验证
通过对比墨西哥多个普通园（common gardens）中玉米地方品种的表现数据和 GF 模型预测的基因组偏移，研究人员验证了 GF 模型的有效性。结果发现，在 GF 偏移较低的地点种植的玉米地方品种，其株高、产量等指标表现更好，花期同步性（anthesis silking interval，ASI）更短，表明这些品种对当地环境的适应性更强。
气候灾难后的适应性失衡预测
利用 GF 模型预测六种战后情景下地方品种的适应性失衡情况，发现 GF 偏移值与战后气候干扰趋势一致，在灾难发生后的 2 - 3 年达到峰值，随后逐渐恢复。这表明在全球太阳辐射和气温最低时，作物的适应性失衡最为严重。同时，研究还发现赤道地区受气候影响较小，地方品种的适应性失衡程度也相对较低。
地方品种替代策略
研究人员进一步利用 GF 模型为受气候灾难影响最严重的地区寻找最佳替代品种。结果显示，大多数情况下，最佳替代品种距离受灾地区较远，往往需要跨国迁移。而且，许多替代品种的 GF 偏移仍然较高，说明在现有数据集中，可能不存在完全适应新环境的品种。此外，研究还发现，国家内部的替代品种适应性普遍不如全球范围内的替代品种，但气候多样性较高的国家，其内部替代品种的质量相对较好。
研究结论与讨论
本研究表明，黑碳气溶胶引发的气候灾难将导致全球谷类作物地方品种适应性失衡，许多地区将不再适合农作物种植。即使在仍适合种植的地区，当地地方品种的遗传多样性可能也不足以支持适应性品种的替代，这对全球粮食安全构成了巨大挑战。
研究人员构建的 GF 模型能够有效捕捉地方品种的适应性差异，但由于气候灾难后环境的极端性和新颖性，准确预测适应性失衡的程度仍具有一定难度。不过，该模型仍可用于识别最脆弱的地区和需要品种替代的区域，为农业应对气候变化提供有价值的参考。
在应对气候灾难时，作物多样性被认为是缓解农业影响的潜在解决方案。然而，本研究发现，大多数地方品种在适应灾后气候方面存在困难，且替代品种往往需要长途迁移。对于无法找到合适替代品种的地区，种植更快成熟的作物品种或其他耐寒作物（如土豆）可能是提高农业韧性的策略，但这需要农民进行大量投资，并改变消费者的行为习惯。
此外，本研究虽然聚焦于气候灾难对地方品种的影响，但研究方法同样适用于理解其他气候变化（如温室气体排放导致的气候变化）对作物适应性的影响。研究结果强调了全球地方品种在灾后气候下的适应性困境，也表明在应对气候灾难时，仅依靠国家内部的物种遗传多样性可能不足以保障农业的韧性，跨国界的合作和资源共享或许是未来应对此类挑战的关键。
