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分子生态学将最小的遗传变异单位与最大的生态组织格局联系起来，涵盖了表型、相互作用以及自然选择所作用的适合度结果。本文以一系列转变为线索综述植物分子生态学。分子标记首先使自然变异变得可见，并重建了塑造植物分布的历史。随后进入基因组学时代，参考基因组和群体规模测序
分子生态学将最小的遗传变异单位与最大的生态组织格局联系起来，涵盖了表型、相互作用以及自然选择所作用的适合度结果。本文以一系列转变为线索综述植物分子生态学。分子标记首先使自然变异变得可见，并重建了塑造植物分布的历史。随后进入基因组学时代，参考基因组和群体规模测序鉴定了适应的遗传基础，但仅靠关联无法揭示基因在自然环境中的功能。此后注意力从关联到功能，在原生境中检验基因的生态作用。单细胞分析的进展使得能够以更高精度将基因与功能联系起来。其他技术进步同时将领域的问题向外推至群落和生态系统，而后者正日益被气候变化重塑。本文讨论了试图弥合这一日益扩大鸿沟的新兴方法，并主张这一诞生于分子的学科最终必须解释生态系统。
引言
自然充满了格局。物种组合成群落，群落组合成生态系统，生态系统组合成环绕我们的生命景观。在生态学历史的大部分时间里，这些格局是在其被观测的尺度上描述的，然而其成因往往存在于更小的层次。启动子中的突变、基因的重复或单核苷酸替换均可改变表型、影响适合度并改变生态相互作用的结果。自然选择一代又一代地作用于这些变异，在基因组中留下印记。因此，每个基因组既是进化历史的记录，也是生态可能性的来源。哪些遗传变异在自然界中至关重要？鉴定塑造自然选择所作用表型的变异成为核心目标。分子生态学源于这样一种认识：回答这些问题需要将最小的生物学差异与最大的生态格局联系起来。随着分子工具的进步，分子生态学的问题也随之改变。早期研究侧重于描述自然群体中的遗传变异。分子标记的发展使研究人员能够估计亲缘关系、群体结构和基因流。基因组学时代扩展了这些努力，使得鉴定适应的遗传基础和重建记录在基因组中的进化历史成为可能。最近，该领域转向一个更困难的问题：这些基因在自然界中究竟起什么作用？发现与适应相关的基因不再是故事的终点。挑战在于理解遗传变异如何塑造表型，这些表型如何影响生态相互作用，以及这些相互作用如何影响自然选择发挥作用环境中的适合度。本综述聚焦于植物分子生态学。分子生态学整体已有教科书和广泛综述。本文不试图全面考察，而是通过几个主要转变追溯该领域的发展：从用于测量自然变异的分子标记，到识别适应性变异的基因组规模方法，最后到揭示基因在自然界中生态功能的实验研究。最后一部分考虑分子生态学如何超越基因和生物体水平，解决群落、生态系统和全球环境变化尺度的问题。
通过分子标记使自然变异可见
在二十世纪大部分时间里，自然群体中的遗传变异在很大程度上是不可见的。进化理论预测其存在，但没有实际测量方法。第一个突破来自分子标记。1966年，Lewontin和Hubby将蛋白质电泳应用于果蝇自然群体并量化了等位酶多态性。他们发现的变异远超预期，揭示了自然群体蕴藏着比想象中更多的遗传多样性。这一发现标志着自然变异研究进入标记时代。二十年后，线粒体DNA（mtDNA）为自然变异研究增添了历史维度。在动物中，由于mtDNA作为非重组单元遗传，变异可被组织成谱系，从而通过共同祖先联系个体。遗传多样性现在可用于重建群体的历史。变异格局揭示了群体如何在进化时间内扩张、片段化、迁移和重新定殖景观。这一进展催生了系统地理学，致力于理解进化谱系如何在地理空间分布。然而在植物中，线粒体基因组结构不稳定、频繁重组且序列进化缓慢，使其不适合同样的方法。叶绿体DNA（cpDNA）填补了这一角色，提供了与动物mtDNA相同的单亲遗传群体历史记录。最著名的例子来自欧洲白栎。Petit及其同事利用来自2600多个群体的cpDNA单倍型重建了整个欧洲大陆冰期后的重新定殖。相同方法后来扩展到22种欧洲树种，揭示了共同的避难所和迁移路线。分子数据现在可用于重建塑造植物物种当代分布的历史过程。标记技术迅速进步。等位酶之后是限制性片段长度多态性（RFLPs）、微卫星、随机扩增多态性DNA（RAPDs）和扩增片段长度多态性（AFLPs），每种技术都增加了从自然群体中提取的信息量。然而尽管有这些进步，大多数标记仍是中性的。这些标记揭示了群体在景观中的结构、分化和移动，但无法识别负责适应的基因。从群体间等位基因频率方差检测选择的想法出现在1970年代，而基于F统计的实用异常值检验出现在1990年代中期。然而，由于只有有限数量的匿名标记可用，选择的证据仍然是间接的且常不确定。为了识别负责适应的变异，该领域需要获得基因组本身。
通过基因组学将遗传变异与适应联系起来
分子生态学的第二个时代从用标记追踪群体转向读取整个基因组以寻找适应的遗传基础。一个主要转折点出现在2000年第一个拟南芥（Arabidopsis thaliana）基因组草图发表。拟南芥在植物生物学中占据独特地位，它既是主要的实验室模型，又是分布在欧亚大陆和北非的野生物种。这种双重身份使得实验室中的发现可直接与自然群体中的适应问题联系起来。基因组数据的积累开辟了新的可能性。2016年，1001基因组计划发布了1135个拟南芥材料的全基因组序列，提供了单一植物物种内遗传变异的空前视野。下一代测序（NGS）、全基因组关联研究（GWAS）和RNA-seq进一步扩展了分子生态学的范围。该领域现在可以超越描述 demographic 历史，识别与适应性性状相关的遗传变异。适应性变异变得易于处理。最清晰的例子之一来自拟南芥开花时间的研究。在FRIGIDA（FRI）被克隆并表征其等位变异后，Stinchcombe及其同事表明开花时间的纬度渐变取决于植物是否在FRI位点携带功能等位基因。这种渐变的分子基础后来被追溯到FRI和FLOWERING LOCUS C（FLC）之间的上位性相互作用。气候相关的适应现在可以在单个基因水平上理解。然而基因组学时代带有重要局限性。首先，这些方法仍然局限于具有参考基因组和群体规模基因组数据集的相对较少物种。简化代表性方法如限制性位点相关DNA测序（RAD-seq）将群体基因组学扩展到缺乏参考基因组的非模式植物，但基于GWAS的适应研究主要仍局限于少数特征明确的系统。其次，基因组学可以识别与适应性性状相关的候选基因，但仅靠关联不能建立功能。这些基因在自然界中实际起什么作用仍未解决。正是这个问题开启了下一个时代。
通过分子操作检验生态功能
前一个时代已经识别出与适应相关的基因。下一个问题是这些基因在自然界中是否重要。这一转变将分子生态学从关联到功能，从基因本身到基因帮助塑造的生态相互作用。野生烟草（Nicotiana attenuata）是这一转变的理想范例。这种野生烟草可在实验室中转化，然后种回其原生境，在那里食草动物、传粉者、竞争者和捕食者施加了可测量适合度的生态条件。基因功能不再仅从关联或表型推断，而可以在自然选择作用的环境中检验。一个特别有影响的例子来自N. attenuata中茉莉酸信号传导的研究。在脂氧合酶（LOX）基因沉默的植物中，该酶催化茉莉酸生物合成的早期步骤，当移植到原生境时遭受更严重的食草动物损害。值得注意的是，这些植物吸引了野生型个体上很少观察到的食草动物物种，表明操纵单个基因可以改变与植物相关的食草动物群落组成。后续研究表明，破坏茉莉酸信号传导的生态后果超出了节肢动物食草动物。茉莉酸缺陷植物遭受来自脊椎动物食草动物的更多攻击，导致自然条件下生殖输出大幅减少。在其他植物物种中也记录了类似效应。在矮牵牛（Petunia）中，Hoballah等人鉴定出ANTHOCYANIN2（AN2），一个控制花青素生物合成的MYB型转录因子，是传粉者吸引的主要决定因素。通过产生内含子导入系，其中一个功能性AN2等位基因产生花青素着色的紫色花，而非功能性等位基因产生白花，他们证明操纵这个单基因足以使传粉者偏好在熊蜂和天蛾之间转变。在野芥菜（Boechera stricta）中，Prasad等人将昆虫食草动物抗性的数量性状位点定位到一个重复基因家族，该家族编码参与硫代葡萄糖苷生物合成的细胞色素P450酶。利用重组自交系克隆该位点，并利用近等基因系独立于遗传背景操纵硫代葡萄糖苷谱，他们证明这种多态性直接改变自然群体中的食草、生存和繁殖。在拟南芥中，一项使用Cre-lox产生的仅在一个抗病基因RPM1上不同的等基因系的田间实验表明，在没有病原体的情况下，功能性抗性等位基因使种子产量平均减少9%。因为这种组成型代价仅在病原体存在时得到补偿，当感染罕见时易感植物受到青睐，从而通过平衡选择维持RPM1多态性。这些研究表明，单个植物内的分子扰动可在群落中传播，并最终在自然界中塑造适合度，这意味着基因功能不能脱离其介导的生态相互作用而被完全理解。直接研究这种扰动需要能够在植物中操纵基因功能的工具。早期研究严重依赖RNA沉默方法，这实现了快速功能分析，但常导致基因表达不完全抑制并引起脱靶效应担忧。反向遗传学也主要依赖于通过农杆菌介导转化产生的T-DNA插入文库，将功能研究限制在少数模式物种。CRISPR/Cas9克服了这些限制。与早期基因组编辑系统不同，CRISPR使用可编程引导RNA。因此，只需改变引导RNA序列即可指定靶位点，极大地加速了突变体生成并将功能遗传学扩展到任何可转化物种，包括作物。最近，病毒诱导的基因组编辑（VIGE）通过绕过组织培养并能够快速产生可遗传的敲除系，进一步加速了野生植物中的功能研究。完全基因敲除扩展了可解决生物学问题的范围。在N. attenuata中，例如，它使得能够在髓等组织中进行功能分析，而病毒诱导的基因沉默由于病毒传播有限而常效率低下。利用VIGE产生的敲除系，研究人员产生了myc2/3双敲除突变体，并证明这些茉莉酸响应转录因子是食草诱导的髓木质化所必需的。随着这些工具的进步，分子生态学获得了以更高精度研究基因功能的能力。然而，两种方法都受到重要瓶颈的限制。常规基于CRISPR的编辑仍依赖于稳定转化和组织培养再生，这在大多数野生物种中效率低下或不可用，并且仍可能产生嵌合或脱靶编辑。VIGE避免了这些步骤，但引入了自身的限制：它仅适用于病毒载体能够系统感染的种类和组织，这些载体的有限承载能力限制了可递送的引导RNA，并且编辑效率和编辑的可遗传传递在不同植物系统中差异很大。生态学家一直对适应生物体特定环境的独特物种特异性性状感兴趣。识别介导生态相互作用的基因仍然具有挑战性，特别是在缺乏广泛遗传资源的非模式植物中。单细胞转录组学的最新进展开始通过提供细胞分辨率水平的基因表达信息来克服这一限制。这种方法对于研究专门代谢物特别强大，其生物合成通常局限于特定细胞类型。与生长和发育所需的主要代谢物不同，专门代谢物经常介导生态相互作用，从食草动物防御到传粉者吸引。例如，N. attenuata花的单细胞RNA测序（scRNA-seq）迅速将数百个候选基因缩小到参与苄基丙酮生物合成的一小组基因，极大地加速了这种吸引传粉者的花挥发性途径的发现。除了烟草，Catharanthus roseus叶子的scRNA-seq解析了单萜吲哚生物碱途径跨越三种不同细胞类型，完善了这种专门代谢如何空间分隔的模型。
从分子到生态系统
此时，分子分辨率已达到单细胞水平。虽然分子生态学的工具在分辨率、灵敏度和通量上不断进步，但该领域面临的生态问题变得更大。它们现在扩展到超越个体到群体、群落、生态系统及其在气候变化面前的恢复力。理解分子机制如何向上扩展以塑造未来气候下的生态过程已成为当代分子生态学的核心挑战之一。几种新兴方法开始弥合跨尺度的这一鸿沟。全生物体概念将分析单元从植物本身扩展到其相关的微生物群，认识到生态功能经常从多种生物的相互作用中出现，而不是仅来自宿主。环境DNA（eDNA）进一步将分子生态学扩展到群落水平，通过能够从土壤或水中提取的DNA表征整个群落。基因组偏移方法不是描述现在或过去的格局，而是向前看，预测当前基因型-环境关系在未来气候下如何被破坏。这些方法仍处于早期阶段，每种方法都有重要局限性。全生物体研究通常仍不能区分因果宿主-微生物关联与仅仅是相关性；eDNA推断依赖于DNA持久性和参考数据库的完整性；基因组偏移模型通过假设静态平衡并忽略可塑性、基因流、新气候和生物相互作用的影响，过度简化了局部适应。尽管这些方法在尺度上和方法上不同，它们有一个共同目标：将分子信息与跨越空间和时间的生态结果联系起来。许多挑战也存在于专门代谢水平。尽管在识别生物合成途径方面取得了实质性进展，但基本问题仍未解答。为什么某些专门代谢物仅在特定植物谱系中进化？为什么它们在特定组织、发育阶段或环境背景下产生？解决这些问题需要的不仅仅是识别基因和酶。它需要整合分子生物学与生态学，以理解自然选择如何塑造专门代谢的起源、调控和多样化。分子生态学开始测量自然群体中的变异，然后寻求理解这种变异如何促进适应以及适应如何在自然界中发挥作用。这些问题保持不变。改变的是现在可以解决这些问题的分辨率。随着我们的理解跨越尺度，从分子和细胞到个体和群落，这些联系将变得越来越清晰。始于分子尺度的学科最终必须在生态系统尺度上得到解答。
