全球科学团队揭示了开花植物的巨大DNA生命树

科学家利用18亿个遗传密码字母构建开创性的生命之树

今天在《自然》杂志上发表的一项新研究中介绍了对开花植物生命之树的最新了解，该研究由279名科学家组成，其中包括三名密歇根大学生物学家。

利用来自9,500多个物种的18亿个遗传密码字母，涵盖近8,000个已知的开花植物属（约60%），这一成就为开花植物的进化历史及其在地球上的生态主导地位提供了新的线索。

在邱园皇家植物园的科学家的带领下，研究小组认为，这些数据将有助于未来在气候变化和生物多样性丧失的情况下识别新物种、完善植物分类、发现新的药用化合物以及保护植物。

植物科学的重要里程碑涉及国际138个组织，其数据是任何开花植物生命之树研究的15倍。在这项研究测序的物种中，有800多种以前从未进行过DNA测序。

这项研究解锁的大量数据需要一台计算机18年才能处理，这是为所有330,000种已知开花植物建立生命之树的巨大进步 – 这是邱园生命之树计划的一项艰巨任务。

“分析如此空前的数据量以解码隐藏在数百万个DNA序列中的信息是一个巨大的挑战。但它也提供了独特的机会来重新评估和扩展我们对植物生命之树的了解，为探索植物进化的复杂性打开了一扇新的窗口，“邱园皇家植物园研究员Alexandre Zuntini说。

密歇根大学进化生物学家斯蒂芬·史密斯（Stephen Smith）实验室的博士后研究员汤姆·卡鲁瑟斯（Tom Carruthers）是该研究的共同主要作者，他之前曾在邱园（Kew）与祖蒂尼（Zuntini）合作。密西根大学植物系统学家理查德·拉贝勒（Richard Rabeler）是合著者。

“每当我们走进树林时，开花植物都会给我们喂食、穿衣和打招呼。一个多世纪以来，建造开花植物生命树一直是进化生物学领域的重大挑战和目标，“该研究的合著者、密歇根大学生态学和进化生物学系教授史密斯说。“这个项目通过为大多数开花植物属提供海量数据集，并提供一种策略来实现这一目标，使我们更接近这一目标。”

史密斯在这个项目中扮演了两个角色。首先，他的实验室成员——包括前密歇根大学研究生德鲁·拉尔森（Drew Larson）——前往邱园，帮助对一个名为Ericales的大型多样化植物群的成员进行测序，其中包括蓝莓、茶、乌木、杜鹃花、杜鹃花和巴西坚果。

其次，史密斯与邱园皇家植物园的威廉·贝克（William Baker）和菲利克斯·福里斯特（Felix Forest）以及奥胡斯大学的沃尔夫·艾森哈特（Wolf Eisenhardt）一起监督了项目数据集的分析和构建。

“该团队面临的最大挑战之一是许多基因区域背后的意想不到的复杂性，其中不同的基因讲述了不同的进化历史。必须制定程序来检查这些模式，这是以前从未做过的，“史密斯说，他也是生物学项目的主任和UM植物标本馆生物多样性信息学的副馆长。

作为该研究的共同负责人，Carruthers的主要职责包括使用200块化石将进化树缩放到时间，分析整个进化树背后的基因的不同进化历史，并估计不同开花植物谱系在不同时期的多样化率。

“基于如此多的基因，为开花植物建造如此大的生命之树，揭示了这个特殊群体的进化历史，帮助我们了解它们如何成为世界上不可或缺的一部分，”Carruthers说。“所呈现的进化关系 – 以及它们背后的数据 – 将为许多未来的研究提供重要的基础。

开花植物的生命树，就像我们自己的家谱一样，使我们能够了解不同物种之间的关系。通过比较不同物种之间的DNA序列来发现生命之树，以识别随时间累积的变化（突变），就像分子化石记录一样。

随着DNA测序技术的进步，我们对生命之树的理解正在迅速提高。在这项研究中，开发了新的基因组技术，从每个样本中磁性捕获数百个基因和数十万个遗传密码字母，比早期方法高出几个数量级。

该团队方法的一个关键优势是，即使DNA严重受损，它也可以对各种新旧植物材料进行测序。世界植物标本馆藏藏中的大量干燥植物材料宝库，包括近4亿个植物科学标本，现在可以进行基因研究。

“在许多方面，这种新颖的方法使我们能够与过去的植物学家合作，利用锁定在历史植物标本中的大量数据，其中一些早在19世纪初就收集了，”贝克说，邱园生命之树计划的高级研究负责人。

“我们杰出的前辈，如查尔斯·达尔文（Charles Darwin）或约瑟夫·胡克（Joseph Hooker），无法预料到这些标本在今天的基因组研究中会有多重要。在他们的一生中甚至没有发现DNA。我们的工作表明，这些令人难以置信的植物博物馆对于开创性地研究地球生命是多么重要。谁知道其中还有哪些未被发现的科学机会呢？

在所有测序的9,506个物种中，超过3,400个来自48个国家的163个植物标本馆的材料。

“对植物标本进行采样以研究植物关系，使得从世界不同地区进行广泛采样比必须旅行才能从野外获取新鲜材料更加可行，”UM的Rabeler说，他是UM植物标本馆的名誉研究科学家和前收藏经理。

在生命之树项目中，Rabeler帮助验证了被选中进行采样的植物标本的身份，并分析了所得数据。

仅开花植物就占陆地上所有已知植物的90%左右，几乎遍布地球上的任何地方——从最潮湿的热带地区到南极半岛的岩石露头。然而，我们对这些植物如何在它们起源后不久就占据主导地位的理解一直困扰着包括达尔文在内的几代科学家。

开花植物起源于1.4亿多年前，之后它们迅速超越了其他维管植物，包括它们最接近的亲戚——裸子植物（裸种子的非开花植物，如苏铁、针叶树和银杏）。

达尔文对化石记录中这种多样性的突然出现感到困惑。在1879年写给胡克的一封信中，胡克是他的密友，也是邱园皇家植物园的主任，他写道：“就我们所能判断的，在最近的地质时代，所有高等植物的快速发展是一个令人憎恶的谜团。

作者使用200块化石，将他们的生命之树按时间缩放，揭示了开花植物如何在地质时期进化。他们发现，早期开花植物的多样性确实呈爆炸式增长，在它们起源后不久就产生了今天存在的80%以上的主要谱系。

然而，在接下来的1亿年里，这种趋势下降到更稳定的速度，直到大约4000万年前，随着全球气温的下降，多样性再次激增。这些新见解会让达尔文着迷，并且肯定会帮助今天的科学家应对理解物种多样化的方式和原因的挑战。

如果没有邱园的科学家与全球许多合作伙伴的合作，就不可能组装出如此广泛的生命之树。总共有279名作者参与了这项研究，他们代表了来自27个国家的138个组织的许多不同国籍。

“植物群落在合作和协调分子测序方面有着悠久的历史，以产生更全面、更强大的植物生命之树。导致这篇论文的努力延续了这一传统，但规模相当大，“密歇根大学的史密斯说。

开花植物生命之树在生物多样性研究中具有巨大的潜力。这是因为，正如人们可以根据元素周期表中的位置来预测元素的性质一样，物种在生命之树中的位置也使我们能够预测其性质。因此，新数据对于加强许多科学领域及其他领域将是无价的。

为了实现这一目标，这棵树和支撑它的所有数据都已向公众和科学界开放和自由地访问，包括通过邱园生命之树探索者。

开放获取将帮助科学家充分利用数据，例如将其与人工智能相结合，以预测哪些植物物种可能包含具有药用潜力的分子。

同样，生命之树可用于更好地了解和预测病虫害将如何影响未来的植物。最终，作者指出，这些数据的应用将由访问它的科学家的独创性驱动。