表型是自然選擇與適應性進化的基礎。然而，對于分布廣泛的物種而言，受限于人力與資源，其原生棲息地的表型難以進行長期、系統的觀測。研究者通常將原生地采集的材料在幾個實驗站進行統一栽培觀測，即多點同質園實驗，來解析植物的適應機制。但在缺乏原生地表型數據的情況下，多點同質園實驗所得的表型是否真實反映原生地表型？由于實驗站與原生地的生長環境不一樣，實驗所得結果能否直接外推至原生地也一直缺乏明確答案。

近日，美國農業部農業研究署聯合多家美國高校機構在Cell發表了題為Harnessing citizen science to contextualize adaptation mechanism discovery的研究論文。該工作將海量公眾科學照片、AI圖像識別、多點同質園實驗、以及嚴謹的遺傳解析整合在一起，以廣泛分布于北美的柳枝稷為例，系統展示了將公眾科學記錄的原生地實情與可控實驗體系相結合來解析植物在原生境中的適應機制。

研究團隊從 公眾 科學平臺 GBIF收集了 4萬余 張多年生暖季 禾本科草在原生地的 照片， 并 訓練了名為FLORIST 的圖像識別 AI來幫助 判斷照片中的植物是否處于開花狀態。最終，從這些 公眾科學家的 “自然打卡照”中篩選出 6千余 張開花照片， 結合 拍攝時間和GPS 坐標， 復現了跨 北美草原原生地 的時空開花圖譜： 越往北，暖季 型 植物 （ 柳枝稷、大須芒草、印第安草 和 小須芒草 ） 開花越早。然而，多點同質園實驗 卻 完全相反：越往北 的實驗站 ，柳枝稷開花越晚。同一種植物， 原生態的照片 和 多點 同質園實驗給出了相反的答案。 是 隨手拍的 野外 證據 “騙了人” ，還是標準化實驗站的 與原生地“脫了鉤”？ 抑或，這一反常的 趨勢 背后 ， 隱藏著尚未被認識的氣候、基因與適應的深層生態遺傳密碼。

為解開這個矛盾，基于多點同質園實驗，研究團隊解析了柳枝稷開花的遺傳機理。通過基因定位、表達分析、轉基因驗證和群體單倍型分析，將關鍵線索鎖定在GI-Hd1-FTL1這一開花調控模塊對晚春（4 月下旬至5 月上旬）溫度的響應上。并據此構建了不同GI-Hd1-FTL1單倍型對晚春溫度的表型反應全景圖。單倍型H1晚花、對晚春溫度變化不敏感，主要分布于南方；而H2早花、對晚春溫度變化更敏感，主要分布于北方。將單倍型反應全景圖與過去40 年的北美晚春溫度數據疊加后發現原生地只是這個單倍型反應全景圖中的局部。原生地與同質園實驗并不矛盾，它們本質上反映的是同一套遺傳—環境反應機制在不同地理背景下的呈現。

在確認了同質園實驗與原生地表型的一致性，并證明表型反應全景圖可以可靠外推至原生地后，該研究推測了兩種單倍型在北美原生地的花期。比較開花后植物可能經歷的溫度揭示了單倍型南北分布背后的“雙向極溫規避” 機制：在北方，H2 通過早開花，為種子成熟和越冬準備爭取時間，從而避開冬季低溫；在南方，H1 則通過晚開花，繞開夏季高溫對花粉和繁殖的不利影響。兩個單倍型分別在南北兩端“躲開”最致命的溫度窗口，各自占據適合自己的生態位。結合單倍型對越冬能力和生物量積累的不同影響，研究團隊進一步推測：單倍型的地理邊界并非靜止，而是會隨著氣候變化而遷移：氣候變暖能讓H1 憑借更多的生物量積累擠壓H2，北向擴張；相反，氣候變冷能讓H2憑借更強的越冬能力擠壓H1，南向推進。

該研究不僅揭示了植物花期適應的新機制，也展示了一種新型科研模式。海量公眾科學影像與AI圖像識別的結合，使研究者能夠在短時間內“足不出戶”地洞察原生地的生態規律。這些生態規律，反過來激發科研興趣，推動研究者開展表型組學、基因組學、環境組學、與遺傳學實驗和分析，從而系統性的建立原生地和可控實驗體系之間聯系來探索大自然。這種“由自然啟發、由實驗驗證、由模型整合”的閉環，實現了真實生態情境與機制性實驗之間的互相驗證，最終以更高的維度理解大自然的適應邏輯。

美國農業部農業研究署李顯然研究員、愛荷華州立大學余建明教授和德克薩斯大學奧斯汀分校Thomas Juenger教授為本文的通訊作者。李顯然實驗室博士后Laura E. Tibbs-Cortes為第一作者。該研究是李顯然、余建明團隊在表型可塑性領域系列成果的延續。該項目受到了美國農業部和能源部的資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.04.039