Nature突破性植物研究成果：9500多个物种的18亿个遗传密码的奥秘

在4月24日发表在《自然》杂志上的一篇新论文中，一个由279名研究人员组成的国际团队，包括来自纽约植物园(NYBG)的三名科学家，使用了超过9500种开花植物(或被子植物，约占已知植物生命的90%)的遗传密码，为这类植物创建了迄今为止最详细的生命进化树。生命之树不仅为开花植物的进化史提供了新的线索，该研究的作者认为，这些数据还将有助于未来识别新物种、完善植物分类、发现新的药用化合物，以及在面对生物多样性和气候双重危机时保护植物。

　　

由279名研究人员组成的国际研究小组，包括三名纽约植物园(NYBG)的科学家，今天在《自然》杂志上发表了一篇新论文，展示了对开花植物进化和遗传关系的最新理解，开花植物约占已知植物生命的90%。

利用来自9500多个物种的18亿个遗传密码字母，覆盖了近8000个植物属(密切相关的物种群体)，研究小组能够创造出迄今为止最详细的生命之树——一种类似于系谱家谱的物种关系的图形描述，为开花植物的进化史及其在地球上的生态优势地位的崛起提供了新的视角。该研究的作者认为，这些数据将有助于未来识别新物种、改进植物分类、发现新的药用化合物，以及在面对生物多样性和气候双重危机时保护植物。

为植物科学的这一重要里程碑做出贡献的是Fabián Michelangeli博士，纽约植物园系统植物学研究所所长Gregory M. Plunkett博士等人。

Michelangeli博士说:“虽然这个大型项目的主要目标是了解所有开花植物属之间的关系，但它也揭示了复杂花朵形态和生活史进化过程中重大事件的时间。”“像这样的大型分析可以为保护策略、可持续农业和许多其他需要基本生物多样性知识的应用提供背景。了解生物体之间的关系是所有生物多样性科学和应用的基石。”

该研究小组由英国皇家植物园(Royal Botanic Gardens, Kew)领导，涉及138个国际组织，使用的数据是任何类似开花植物生命之树研究的15倍。在研究中包括的物种中，有800多个物种的DNA以前从未被测序过。这项研究释放的大量数据，将需要一台计算机18年的时间来处理，这是为所有33万种已知开花植物建立生命之树的一大步。

研究人员提供了他们所研究的植物科的专业知识，并熟练地鉴定了各种植物群的样本，其中很大一部分来自热带植物的Melastomataceae家族，这是Michelangeli博士的专长。

为前沿研究解锁历史植物标本室标本

开花植物的生命之树，很像家谱，使科学家能够了解不同物种之间的关系。生命之树是通过比较不同物种之间的DNA序列来识别随时间积累的变化(突变)，就像分子化石记录一样。随着dna测序技术的进步，科学对生命之树的理解正在迅速提高。在这项研究中，新的基因组技术被开发出来，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，比以前的方法多出数量级。

该团队方法的一个关键优势是，即使DNA严重受损，它也可以对各种各样的植物材料进行测序，无论新旧。世界植物标本馆收藏的大量干燥、保存的植物标本，包括近4亿份标本，现在可以进行基因研究。利用这些标本，研究小组成功地对近200年前在尼泊尔采集的沙草(全球沙草)进行了测序，尽管其DNA质量很差，但仍能够将其置于生命之树上。研究小组甚至分析了灭绝的植物，比如瓜达卢佩岛橄榄(Hesperelaea palmeri)，这种植物自1875年以来就没有被发现过。事实上，根据国际自然保护联盟(International Union for Conservation of Nature)编制的世界濒危植物、真菌和动物物种的权威汇编《红色名录》(Red List)， 511个被测序的物种已经面临灭绝的危险。

在测序的9506个物种中，超过3400个来自48个国家163个植物标本室的材料。来自世界各地植物收集的额外材料，如DNA库、种子和活体收集，对于填补关键知识空白，揭示开花植物进化历史至关重要。该团队还受益于1900多个物种的公开数据，突出了开放科学方法对未来基因组研究的价值。

阐释达尔文的“可憎之谜”

开花植物约占陆地上所有已知植物的90%，从最潮湿的热带地区到南极半岛的岩石露头，开花植物几乎无处不在。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，一直困扰着包括查尔斯·达尔文在内的几代科学家。开花植物起源于1.4亿年前，之后它们迅速超过了其他维管植物，包括它们现存的近亲——裸子植物，一种种子裸露的非开花植物，如苏铁、针叶树和银杏。

达尔文对化石记录中似乎突然出现的这种多样性感到困惑。在1879年写给他的密友、邱园皇家植物园主任约瑟夫·道尔顿·胡克的信中，他写道:“据我们所知，在最近的地质时代里，所有高等植物的迅速发展是一个令人憎恶的谜团。”

利用200块化石，研究人员按时间顺序排列了他们的生命树，揭示了开花植物是如何在地质时期进化的。他们发现，早期开花植物的多样性激增，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，这一趋势下降到一个更稳定的速度，直到大约4000万年前，与全球气温下降相吻合的另一次多样化激增。这些新的见解会让达尔文着迷，也肯定会帮助今天的科学家应对理解物种如何以及为什么多样化的挑战。

如果没有全球科学家的合作，组装如此庞大的生命之树是不可能的。总共有279位作者参与了这项研究，他们代表了来自27个国家138个组织的不同国籍。国际合作者分享了他们独特的植物学专业知识，以及来自世界各地的许多宝贵的植物样本，没有他们的帮助，这些样本是无法获得的。这棵树的综合性在很大程度上是这种广泛合作的结果。

Michelangeli博士说，“这样的努力表明，国际科学界可以团结起来，进行合作，创造出任何一个研究小组或机构都无法单独完成的东西。”

好好利用开花植物的生命之树

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，就像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，一个物种在生命之树中的位置使科学家能够预测它的性质。因此，新的数据对于加强许多科学领域和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公开免费地提供给公众和科学界，包括通过邱园生命之树探索者。该研究的作者认为，这种开放获取是全球科学数据获取民主化的关键。

开放获取还将帮助科学家充分利用这些数据，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，生命之树可以用来更好地理解和预测未来病虫害如何影响世界上的植物。最终，作者指出，数据的应用将由科学家的聪明才智驱动。