進化生物学と生態系科学の統合により、地球変動の生態系影響の予測が改善できる

Unofficial AI-generated summary based on the public title and abstract. Not an official translation.

🔬研究者:This paper highlights the need to include rapid evolution in ecosystem carbon models — a useful perspective for climate–ecosystem modeling research.

🏢実務担当者:For teams involved in wetland restoration or blue carbon projects, heritable trait variation can affect carbon sequestration outcomes and project design.

🏛政策担当者:Carbon accounting frameworks and climate policies should recognize that ecosystem carbon sequestration potential may shift due to evolutionary responses to global change.

海面上昇、温暖化、大気中の温室効果ガス濃度の上昇、降水パターンの変化などの地球規模の変化の側面は、基盤種（すなわち、生態系の構造化と改変に重要な役割を果たす種）の急速な進化を引き起こし、炭素（C）循環、C貯蔵、栄養塩の取り込み、栄養塩の除去などの重要な生態系プロセスを潜在的に変化させる可能性がある。この推測は、遺伝性の形質がさまざまな生態系属性に影響を与えうるという証拠（Whitlock, 2014）と、地球規模の変化の側面が遺伝性の形質に対する選択要因として作用し得るという証拠（Ravenscroft et al., 2015）に由来しており、生態学的な時間スケールでの生物の進化を引き起こす。しかし、急速な進化は、地球規模の変化に対する生態系の応答の研究ではほとんど無視されてきた。この欠陥に対処することの重要性を示す最近の研究（Vahsen et al., 2023）は、地球規模の変化に対する進化的応答が生態系の特性とプロセスを変えるかどうか、そしてどのように変えるかをさらに理解するための統合的エコ進化的アプローチの利点を指摘している。共通圃場実験は、多くの種が、温暖化（Mozdzer et al., 2016）、二酸化炭素（CO2）上昇（Nakamura et al., 2011）、窒素富化（Kettenring et al., 2011）、およびそれらの相互作用（すなわち、同時に発生する圧力）のような圧力に応答する生物の能力（例えば、温度耐性、塩分耐性など）の根底にある形質に遺伝的変異を示すことを実証しており、選択駆動型進化（すなわち、ダーウィン進化）の可能性を示している。選択への応答は、圧力の強さ、競争のような同時発生する生物学的要因、および形質共分散のような遺伝的要因に依存すると予想される（Moran and Kubiske, 2013）。新しい調査方法を含む研究が増えており、地球規模の変化の圧力に応じた急速な進化の証拠を提供している（Kasada and Yoshida, 2020）。例えば、カヤツリグサ科のSchoenoplectus americanusの土壌貯蔵種子を「復活」させることによって再構築された100年にわたる進化の記録は、湿地の堆積とC循環に密接に関連する機能的形質の変化（Rasse et al., 2005）が、米国チェサピーク湾の降水量と河口域の塩分の経時変化と平行していることを見出した（Blum et al., 2021）。遺伝性の表現型形質の発現の違いが異なる機能的結果をもたらす場合、生態系の属性またはプロセスは生物の進化によって変化し得る（Whitham et al., 2003; Whitlock, 2014）。沿岸湿地および一部の河岸生態系では、平滑なコードグラス（Spartina alterniflora）とコットンウッド（Populus spp.）の遺伝性形質が、土壌有機物の蓄積（Schweitzer et al., 2004）と微生物群集構造（Lumibao et al., 2020）に影響を与える可能性がある。植物の遺伝性形質は、C獲得（Souza et al., 2011）、総一次生産性と純一次生産性（Crutsinger et al., 2009）、純生態系CO2交換（Breza et al., 2012）、分解（Hines et al., 2014）を含むC循環の他の側面にも影響を与える可能性があり、遺伝性の形質変異の変化がC循環と貯蔵を変える可能性があることを強調している。これは、共通圃場実験と予測生態系モデリングを組み合わせた「復活」アプローチを用いて、形質進化が沿岸湿地のC蓄積と堆積をどのように変えうるかを調べたVahsen et al. (2023)でよく示されている。しかしながら、これまでのところ、「地球規模の変化は生物の進化を引き起こすことによって生態系プロセスを変えることができるか？」という問いに答えるには至っていない。地球規模の変化に対する進化的応答が実質的な生態系の結果を引き起こすかどうかを判断するには、地球規模の変化、生物の進化、および対象となる生態系属性の間の機構的かつ因果的な関連を明らかにする統合的アプローチが必要である。協調的な研究を実施することで、(1) 観察可能な効果が地球規模の変化に起因すること、(2) 地球規模の変化が遺伝子に基づく応答を引き起こしていること、(3) 遺伝子に基づく応答が実質的な生態系の変化として現れること、を保証できる（図1）。生態系の構造と機能がエコ進化的ダイナミクスに依存しているかどうかを判断するには、(1) 遺伝的可塑性を含む遺伝性の表現型応答（Vahsen et al., 2023）、(2) 非遺伝性の表現型可塑性、および (3) 環境強制（すなわち、地球規模の変化の圧力）の、主要な生態系プロセスへの影響を解明し、決定する必要がある。急速な進化を他の要因から分離するためのHairston et al. (2005)のアプローチを拡張して、Ellner et al. (2011)は、実証研究の遡及的分析が、急速な進化が個体群、群集、および生態系の変化を駆動する支配的な要因であるかどうかを示すことができることを実証した。非モデル生物（すなわち、寿命が長く、繁殖までの時間が長く、ゲノムが特徴付けられていない種）を扱うことには固有の困難があるが、古典的な量的遺伝学のアプローチとゲノミクスに基づくアプローチを組み合わせることは、どのような形質（可塑性を含む）が選択に応答している可能性があるか、そしてそれが実際に応答しているかどうかを判断するためのもう一つの強力な方法である（Cocciardi et al., 2024）。これは、兄弟または半兄弟の共通圃場実験を通じて遺伝率が高いことが示された形質の根底にあるゲノム構造（すなわち、単一遺伝子座または複数遺伝子座）を特徴付けるためのゲノムワイド関連解析を実施し、それと並行して、長期の地球規模変化実験において経時的なゲノム変異を特徴付ける研究を実施することによって達成できる。基盤種の遺伝性の表現型変異の群集および生態系への結果を同時に調査するように設計された研究は、生態系プロセス（例えば、C循環）に焦点を当てており、選択への応答が重要な生態系の変化として現れるかどうか、そしてどのように現れるかを判断するための強力なアプローチでもあり得る。個体群レベルの変化が比較的短い時間間隔（すなわち、数年以内）で観察可能であることを考慮すると、個々の応答が個体群レベルの変化につながるかどうか、そしてどのようにつながるかを調査するために、将来の実験を設計すべきである。同様に、経時的な生態系の状態と機能の協調的な測定は、個体および個体群レベルの変化の結果を明らかにすることができる。協調的な測定の原則に基づいて長期実験を意図的に確立することは、個々の変化が時間の経過とともにどのように高次の差異を生み出すかに光を当てることができる。さらに、長期生態学研究ネットワーク（LTERN）からの数十年にわたるデータセットの遡及的検討は、遺伝性の形質変異の生態系への結果に関する疑問に答えるのに役立つ可能性がある（Cocciardi et al., 2024）。これらの長期データセットは、遺伝子流動や遺伝的浮動のような他のプロセスが選択の潜在的な重要性をどのように媒介するかをさらに探求するための将来の長期実験に情報を提供するためにも活用できる（図1）。我々は、我々のモデルが過度に単純化されており、エピジェネティックな変化を除外していることを認める。エピジェネティックな変化は重要な変化のメカニズムであるが、このメンデル的アプローチの範囲外である。おそらく取り組むべき最大の課題（しかし間違いなく最も重要であるが）は、進化プロセスを生態系プロセスのモデルおよび地球システムモデルに統合することである。例えば、地球規模のC循環モデルは現在、自然群集からのデータに基づいており、曝露実験からの集団の可塑的応答についての推論から主に導き出されており、急速な生物の進化を無視している可能性がある。急速に変化する惑星への応答をより良く予測するために、C循環モデルに生物の進化を組み込むためのさらなる努力がなされるべきである。植物の進化が地球規模のC収支に及ぼす潜在的な影響は、C関連の植物形質のわずかな変化、例えば耕作地のわずか4%での根深さの1%の増加が、化石燃料排出からの年間CO2生産量のすべてを相殺できることを示した最近の研究によって示されている（Kell, 2011）。応用生態系モデルとダーウィンの形質進化のモデルを結合したモデリングフレームワークを開発、実証、検証する努力（Vahsen, 2023）は、可塑性と進化がC循環ダイナミクスをどのように形成するかを調査するための新しい足場を提供する可能性がある。C循環の理解の向上は、C市場を開発するための努力にも情報を提供するかもしれない。そこには、C隔離に対する不釣り合いに大きな効果があるため（Mcleod et al., 2011）、湿地の造成と回復のような戦略を通じてC隔離を促進することを意図した金融ツールや政策が含まれる。さらに、将来の研究は、遺伝性の形質変異の変化が進化的危機または進化的救済の要因として作用できるかどうか、そしてどのように作用できるかを特定することを目指すべきである。Vahsen et al. (2023)は、地下部バイオマス配分のような遺伝性形質の違いが、海面上昇のさまざまな近未来シナリオの下での湿地の堆積、ひいては湿地の存続のモデル予測を劇的に変えることを実証した。さらに、選抜育種、または自然集団の独自の形質のスクリーニングは、急速に変化する環境における回復プロジェクトを加速するための戦略でもあり得る。将来の努力は、連続する組織レベル（すなわち、個体群、集合体、群集など）にわたって伝播する複雑なエコ進化的フィードバックを調査すること、またはエピジェネティックなプロセスを調査して、地球規模の変化が生態系プロセスをどのように変えることができるかについてのより包括的な理解を得ることを検討するかもしれない。T.J.M.は、概念化、方法論、調査、リソース、執筆（原案）、執筆（レビューおよび編集）、監督、プロジェクト管理、および資金獲得を担当した。B.R.D.は、調査、執筆（原案）、執筆（レビューおよび編集）、可視化、およびプロジェクト管理を担当した。M.J.B.は、概念化、方法論、調査、リソース、執筆（原案）、執筆（レビューおよび編集）、監督、プロジェクト管理、および資金獲得を担当した。

AI 翻訳（deepseek-v4-flash）。 正確を期す場合は下の原文を参照してください。

Aspects of global change including rising seas, warming, increased atmospheric greenhouse gas concentrations, and shifting precipitation regimes can elicit rapid evolution of foundation species (i.e., species that play a vital role in structuring and modifying ecosystems), potentially altering important ecosystem processes including carbon (C) cycling, C storage, nutrient uptake, and nutrient removal. This supposition derives from evidence that heritable traits can influence a range of ecosystem attributes (Whitlock, 2014) and evidence that aspects of global change can act as selective agents on heritable traits (Ravenscroft et al., 2015), giving rise to organismal evolution on an ecological timescale. Yet rapid evolution has largely been neglected in studies of ecosystem responses to global change. Recent work illustrating the importance of addressing this deficit (Vahsen et al., 2023) points to the merits of integrative eco-evolutionary approaches to further understand whether and how evolutionary responses to global change alter ecosystem properties and processes. Common garden experiments have demonstrated that many species exhibit heritable variation in traits that underlie organismal capacity (e.g., temperature tolerance, salinity tolerance, etc.) to respond to pressures like warming (Mozdzer et al., 2016), elevated carbon dioxide (CO2) (Nakamura et al., 2011), nitrogen enrichment (Kettenring et al., 2011), and interactions thereof (i.e., co-occurring pressures), indicating the potential for selection-driven evolution (i.e., Darwinian evolution). Responses to selection are expected to be contingent on strength of the pressure(s), concurrent biological factors like competition, and genetic factors like trait covariance (Moran and Kubiske, 2013). An increasing number of studies, some involving novel modes of investigation, provide evidence of rapid evolution in response to global change pressures (Kasada and Yoshida, 2020). For example, a century-long record of evolution reconstructed by “resurrecting” soil-stored seeds of the sedge Schoenoplectus americanus found that shifts in functional traits tightly linked to marsh accretion and C cycling (Rasse et al., 2005) have paralleled changes in precipitation and estuarine salinity in Chesapeake Bay, USA over time (Blum et al., 2021). An ecosystem attribute or process can be altered by organismal evolution if differences in the expression of a heritable phenotypic trait result in different functional outcomes (Whitham et al., 2003; Whitlock, 2014). In coastal marshes and some riparian ecosystems, heritable traits in smooth cordgrass (Spartina alterniflora) and cottonwoods (Populus spp.) can influence the accumulation of soil organic matter (Schweitzer et al., 2004) and microbial community composition (Lumibao et al., 2020). Heritable traits in plants also can influence other aspects of C cycling including C gain (Souza et al., 2011), gross and net primary productivity (Crutsinger et al., 2009), net ecosystem CO2 exchange (Breza et al., 2012), and decomposition (Hines et al., 2014), highlighting that changes in heritable trait variation can shift C cycling and storage. This was well illustrated in Vahsen et al. (2023), which relied on a “resurrection” approach that combined a common garden experiment with predictive ecosystem modeling to examine how trait evolution can alter C accumulation and accretion in coastal marshes. Thus far, however, efforts have fallen short of answering the question: “Can global change alter ecosystem processes by eliciting organismal evolution?” Determining whether evolutionary responses to global change elicit substantive ecosystem outcomes requires integrative approaches that reveal mechanistic and causal linkages between global change, organismal evolution, and ecosystem attributes of interest. Undertaking coordinated studies can ensure (1) that observable effects are attributable to global change; (2) that global change is eliciting genetically-based responses; and (3) that genetically-based responses manifest substantive ecosystem change (Figure 1). Determining whether ecosystem structure and function hinge on eco-evolutionary dynamics requires disentangling and determining the influence on key ecosystem processes of (1) heritable phenotypic responses including heritable plasticity (Vahsen et al., 2023); (2) nonheritable phenotypic plasticity; and (3) environmental forcing (i.e., global change pressures). Expanding on the Hairston et al. (2005) approach for partitioning rapid evolution from other factors, Ellner et al. (2011) demonstrated that retrospective analyses of empirical studies can illustrate whether rapid evolution is a dominant factor driving demographic, community, and ecosystem change. Although there is inherent difficulty working with nonmodel organisms (i.e., species with a long life span, long time to reproduction, uncharacterized genome), combining classic quantitative genetics approaches with genomics-based approaches is another powerful method for determining whether and what traits (inclusive of plasticity) might be responding to selection (Cocciardi et al., 2024). This could be accomplished by conducting a genome-wide association study to characterize the underlying genomic architecture (i.e., single locus or multilocus) of a trait that is shown to be highly heritable through a sibling or half-sibling common garden experiment alongside a study characterizing genomic variation across time in a long-term global change experiment. Designing investigations to concurrently examine community and ecosystem outcomes of heritable phenotypic variation of foundation species, focusing on ecosystem processes (e.g., C cycling), can likewise be a powerful approach for determining whether and how responses to selection manifest consequential ecosystem change. Considering that population-level changes can be observable over relatively short time intervals (i.e., within a few years), future experiments should be designed to investigate whether and how individual responses might lead to population-level changes. Likewise, coordinated measures of ecosystem conditions and functions over time can reveal outcomes of individual and population-level change. Deliberately establishing long-term experiments around the principles of coordinated measurement can shed light on how individual change can give rise to higher order differences over time. Additionally, retrospective examination of multidecadal data sets from long-term ecological research networks (LTERNs) can aid in answering questions on ecosystem outcomes of heritable trait variation (Cocciardi et al., 2024). These long-term data sets can also be leveraged to inform future long-term experimentation to further explore how other processes, like gene flow and genetic drift, might mediate the potential importance of selection (Figure 1). We acknowledge our model is an oversimplification, and leaves out epigenetic change, which is an important mechanism of change, but is outside of the scope of this Mendelian approach. Perhaps the largest challenge (yet arguably most important) to be tackled is the integration of evolutionary processes into models of ecosystem processes and Earth system models. Global C-cycle models, for example, are currently based on data from natural communities and are largely derived from inferences about plastic response of populations from exposure experiments, potentially ignoring rapid organismal evolution. Further efforts should be made to incorporate organismal evolution into C-cycle models to better predict responses to a rapidly changing planet. The potential influence of plant evolution on the global C budget is illustrated by recent work showing that even minor shifts in C-relevant plant traits, such as a 1% increase in rooting depth over only 4% of arable land, could offset all annual CO2 production from fossil fuel emissions (Kell, 2011). Efforts to develop, demonstrate, and validate modeling frameworks that join together an applied ecosystem model and a model of Darwinian trait evolution (Vahsen, 2023) could provide novel scaffolds for investigating how plasticity and evolution shape C-cycling dynamics. Improved understanding of C cycling might also inform efforts to develop C markets, including financial tools and policies intended to foster C sequestration through strategies such as the creation and restoration of wetlands given their disproportionally large effect on C sequestration (Mcleod et al., 2011). Furthermore, future research should aim to identify if, and how, shifts in heritable trait variation can act as drivers of evolutionary imperilment or evolutionary rescue. Vahsen et al. (2023) demonstrated that differences in heritable traits like belowground biomass allocation drastically shift model predictions of marsh accretion and by extension, marsh persistence under different near-future scenarios of sea level rise. Furthermore, selective breeding, or screening of natural populations for unique traits, could also be a strategy for accelerating restoration projects in a rapidly changing environment. Future efforts might also consider investigating complex eco-evolutionary feedback that propagate across successive levels of organization (i.e., populations, assemblages, communities, etc.), or investigate epigenetic processes, to gain a more comprehensive understanding of how global change can alter ecosystem processes. T.J.M. was responsible for conceptualization, methodology, investigation, resources, writing (original draft), writing (review and editing), supervision, project administration, and funding acquisition. B.R.D. was responsible for investigation, writing (original draft), writing (review and editing), visualization, and project administration. M.J.B. was responsible for conceptualization, methodology, investigation, resources, writing (original draft), writing (review and editing), supervision, project administration, and fun

• openalex https://doi.org/10.1002/ajb2.70049first seen 2026-08-02 17:13:13