十八億遺傳密碼重建開花植物進化樹

為什么一項關于花花草草的研究，會被評價為“令人難以置信的成就”？

英國皇家植物園領導的由279名科學家組成的國際團隊， 近日在美國《自然》雜志上發(fā)表了一篇新論文，公布了科學界對開花植物種系進化樹的最新認識。

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

研究人員認為，這些寶貴數(shù)據(jù)有助于未來識別新物種、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植物。

“解鎖”歷史植物標本

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

隨著DNA測序技術進步，人們對進化樹的了解也在迅速提高。在這項研究中，團隊開發(fā)了新的基因組技術，可從每個樣本中獲得數(shù)百個基因和數(shù)十萬個遺傳密碼字母，比早期方法多了幾個數(shù)量級。

新方法的一個關鍵優(yōu)勢是， 即使DNA嚴重受損，也能對各種新舊植物材料進行測序。世界各國的植物標本館都是巨大的干燥植物材料寶庫，其中包括近4億份植物科學標本，蘊藏著海量進化信息。

譬如，團隊可對近200年前在尼泊爾采集的沙草樣本進行測序，盡管其DNA質量較差，但仍能將其放置在種系進化樹中。

又譬如，他們還分析了已經(jīng)滅絕的植物，例如瓜達盧佩島橄欖。事實上，根據(jù)世界自然保護聯(lián)盟瀕危物種紅色名錄（IUCN），此次已測序的物種中有511個已面臨滅絕風險。

在所有已測序的9506個物種中，超過3400個物種來自48個國家163個植物標本館，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。這些對于填補關鍵知識空白、了解開花植物進化史至關重要。

解開令達爾文困惑的謎團

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·達爾文在內的幾代科學家都對這種情況感到困惑：這些植物為何會在起源后不久就占據(jù)了主導地位？

針對化石記錄中看似突然出現(xiàn)的多樣性，達爾文在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，近代地質時期所有高等植物的快速發(fā)展是一個令人討厭的謎團。”

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

然而，這種趨勢在接下來的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，同時全球氣溫下降。這些新見解有助于當今科學家理解物種是怎樣應對多樣化挑戰(zhàn)的。

開放共享進化樹“果實”

構建開花植物進化樹對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測其屬性一樣，物種在進化樹中的位置也可讓人們預測其屬性。因此，進化樹包含的新數(shù)據(jù)有助促進許多科學領域的發(fā)展。

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

數(shù)據(jù)的進一步開放，還將幫助科學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合，就可以預測哪些植物種類可能含有藥用分子。同樣，也能幫助科學家更好地了解病蟲害，預測其未來會對植物產生何種影響。

研究人員表示，人工智能已用來預測哪些植物中含有具備治療瘧疾潛力的化學物質。新構建的開花植物進化樹包含龐大的數(shù)據(jù)集，為作出更多更準確預測提供了機會，加速從植物中發(fā)現(xiàn)藥物治愈棘手疾病。（ 綜合整理報道）（策劃/羅媛）