十八億遺傳密碼重建開花植物進(jìn)化樹

為什么一項(xiàng)關(guān)于花花草草的研究，會(huì)被評(píng)價(jià)為“令人難以置信的成就”？

英國皇家植物園領(lǐng)導(dǎo)的由279名科學(xué)家組成的國際團(tuán)隊(duì)， 近日在美國《自然》雜志上發(fā)表了一篇新論文，公布了科學(xué)界對(duì)開花植物種系進(jìn)化樹的最新認(rèn)識(shí)。

這項(xiàng)研究利用了來自9500多個(gè)物種的18億個(gè)遺傳密碼，覆蓋了近8000個(gè)已知的開花植物屬（約60%），為人類展開了一部植物進(jìn)化史， 并告訴人們，這些植物是如何在地球生態(tài)的主導(dǎo)地位上崛起的。

研究人員認(rèn)為，這些寶貴數(shù)據(jù)有助于未來識(shí)別新物種、完善植物分類、發(fā)現(xiàn)新藥用化合物以及在氣候變化和生物多樣性喪失的情況下保護(hù)植物。

“解鎖”歷史植物標(biāo)本

開花植物的種系進(jìn)化樹，就像人類家譜一樣，能使人們了解不同物種之間的關(guān)系。通過比較不同物種之間的DNA序列來發(fā)現(xiàn)進(jìn)化樹，以識(shí)別隨著時(shí)間推移而積累的變化（突變），就像考證“分子化石”記錄。

隨著DNA測(cè)序技術(shù)進(jìn)步，人們對(duì)進(jìn)化樹的了解也在迅速提高。在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了新的基因組技術(shù)，可從每個(gè)樣本中獲得數(shù)百個(gè)基因和數(shù)十萬個(gè)遺傳密碼字母，比早期方法多了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

新方法的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是， 即使DNA嚴(yán)重受損，也能對(duì)各種新舊植物材料進(jìn)行測(cè)序。世界各國的植物標(biāo)本館都是巨大的干燥植物材料寶庫，其中包括近4億份植物科學(xué)標(biāo)本，蘊(yùn)藏著海量進(jìn)化信息。

譬如，團(tuán)隊(duì)可對(duì)近200年前在尼泊爾采集的沙草樣本進(jìn)行測(cè)序，盡管其DNA質(zhì)量較差，但仍能將其放置在種系進(jìn)化樹中。

又譬如，他們還分析了已經(jīng)滅絕的植物，例如瓜達(dá)盧佩島橄欖。事實(shí)上，根據(jù)世界自然保護(hù)聯(lián)盟瀕危物種紅色名錄（IUCN），此次已測(cè)序的物種中有511個(gè)已面臨滅絕風(fēng)險(xiǎn)。

在所有已測(cè)序的9506個(gè)物種中，超過3400個(gè)物種來自48個(gè)國家163個(gè)植物標(biāo)本館，其他來自世界各地植物收藏品，例如DNA庫、種子、活體收藏品等材料。這些對(duì)于填補(bǔ)關(guān)鍵知識(shí)空白、了解開花植物進(jìn)化史至關(guān)重要。

解開令達(dá)爾文困惑的謎團(tuán)

開花植物起源于1.4億多年前，此后它們迅速取代其他維管植物，占了陸地上所有已知植物的90%左右。

然而，包括查爾斯·達(dá)爾文在內(nèi)的幾代科學(xué)家都對(duì)這種情況感到困惑：這些植物為何會(huì)在起源后不久就占據(jù)了主導(dǎo)地位？

針對(duì)化石記錄中看似突然出現(xiàn)的多樣性，達(dá)爾文在1879年給他的密友、英國皇家植物園園長約瑟夫·胡克的信中寫道：“據(jù)我們判斷，近代地質(zhì)時(shí)期所有高等植物的快速發(fā)展是一個(gè)令人討厭的謎團(tuán)。”

現(xiàn)在，研究團(tuán)隊(duì)利用200塊化石，將他們的進(jìn)化樹按時(shí)間進(jìn)行了縮放，揭示了開花植物如何在不同的地質(zhì)時(shí)期進(jìn)化。他們發(fā)現(xiàn)，早期開花植物的多樣性確實(shí)呈爆炸性增長，在其起源后不久就產(chǎn)生了今天存在的80%以上的主要譜系。

然而，這種趨勢(shì)在接下來的1億年里卻以穩(wěn)定速度下降，直到大約4000萬年前，生物多樣性再次激增，同時(shí)全球氣溫下降。這些新見解有助于當(dāng)今科學(xué)家理解物種是怎樣應(yīng)對(duì)多樣化挑戰(zhàn)的。

開放共享進(jìn)化樹“果實(shí)”

構(gòu)建開花植物進(jìn)化樹對(duì)生物多樣性研究具有重要意義。就像人們可根據(jù)元素在元素周期表中的位置來預(yù)測(cè)其屬性一樣，物種在進(jìn)化樹中的位置也可讓人們預(yù)測(cè)其屬性。因此，進(jìn)化樹包含的新數(shù)據(jù)有助促進(jìn)許多科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。

此次研究利用到的數(shù)據(jù)中，有1900多個(gè)物種是此前公開的，這正是開放科學(xué)方法對(duì)基因組研究的價(jià)值。

數(shù)據(jù)的進(jìn)一步開放，還將幫助科學(xué)家在未來充分利用這些研究成果，例如將其與人工智能相結(jié)合，就可以預(yù)測(cè)哪些植物種類可能含有藥用分子。同樣，也能幫助科學(xué)家更好地了解病蟲害，預(yù)測(cè)其未來會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生何種影響。

研究人員表示，人工智能已用來預(yù)測(cè)哪些植物中含有具備治療瘧疾潛力的化學(xué)物質(zhì)。新構(gòu)建的開花植物進(jìn)化樹包含龐大的數(shù)據(jù)集，為作出更多更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)提供了機(jī)會(huì)，加速從植物中發(fā)現(xiàn)藥物治愈棘手疾病。（ 綜合整理報(bào)道）（策劃/羅媛）