“分子化石”追溯地球之花“家譜”,18億遺傳密碼重建開花植物進(jìn)化樹

2024-04-29 18:33:01 來源: 科技日?qǐng)?bào) 點(diǎn)擊數(shù):

科技日?qǐng)?bào)記者?張夢(mèng)然

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(guó)皇家植物園領(lǐng)導(dǎo)的由279名科學(xué)家組成的國(guó)際團(tuán)隊(duì),4月24日在《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。


構(gòu)建被子植物進(jìn)化樹的數(shù)據(jù)比同類研究多15倍,涉及對(duì)9500多種不同開花植物的測(cè)序。
圖片來源:英國(guó)皇家植物園

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)。


該研究中測(cè)序的最古老的植物是1829年收集的干燥植物標(biāo)本。
圖片來源:英國(guó)皇家植物園

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(guó)的植物標(biāo)本館都是巨大的干燥植物材料寶庫(kù),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。


研究中首次被測(cè)序的Alstonia spectabilis標(biāo)本,這是一種對(duì)原住民德頓人具有重要藥用價(jià)值的物種。
圖片來源: 英國(guó)皇家植物園

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(guó)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(kù)、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?


科學(xué)家對(duì)寄生植物 Pilostyles aethiopica 進(jìn)行了測(cè)序,這種植物生活在其他植物體內(nèi),只有在開花時(shí)才可見。 DNA 測(cè)序已對(duì)這種植物所屬的類群進(jìn)行了重新分類。
圖片來源:Sidonie Bellot/英國(guó)皇家植物園

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、皇家植物園園長(zhǎng)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(zhǎng),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。


新的進(jìn)化樹對(duì)松花蛇發(fā)草科和屬進(jìn)行了重新分類,這是一種結(jié)有奇異果實(shí)的熱帶小樹。
圖片來源:達(dá)尼洛·坦當(dāng)

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(AI)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,AI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?gòu)闹参镏邪l(fā)現(xiàn)藥物治愈棘手疾病。

責(zé)任編輯:常麗君

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