一個由279名科學家組成的國際團隊最近在《自然》雜志上發表了一項研究，提供了對開花植物生命之樹的最新見解。

利用9500多個物種的18億個遺傳密碼字母，覆蓋了近8000個已知的開花植物屬（約占60%），這一成就爲開花植物的進化史及其在地球上的生態優勢的崛起提供了新的視角。

由英國皇家植物園（Royal Botanic Gardens, Kew）的科學家領導的研究小組認爲，這些數據將有助于未來識別新物種、完善植物分類、發現新的藥用化合物，以及在氣候變化和生物多樣性喪失的情況下保護植物。

這一植物科學的重要裏程碑涉及138個國際組織，其數據量是任何對開花植物生命之樹的可比研究的15倍。在這項研究中測序的物種中，有800多個以前從未進行過DNA測序。

技術挑戰和解決方案

這項研究釋放的大量數據，將需要一台計算機18年的時間來處理，這是爲所有33萬種已知開花植物建立生命之樹的巨大進步 —— 這是裘園生命之樹倡議的一項巨大任務。

皇家植物園的研究員亞曆山大·祖蒂尼說：“分析這些前所未有的數據，來解碼隱藏在數百萬個DNA序列中的信息是一項巨大的挑戰。但它也提供了一個獨特的機會來重新評估和擴展我們對植物生命之樹的認識，爲探索植物進化的複雜性打開了一扇新的窗口。”

湯姆·卡拉瑟斯是密歇根大學進化生物學家斯蒂芬·史密斯實驗室的博士後研究員，他與曾在英國皇家植物園（Kew）共事的祖蒂尼共同撰寫了這項研究。密歇根大學植物系統學家理查德·拉貝勒也是作者之一。

該研究的合著者、密歇根大學生態與進化生物學教授史密斯說：“每當我們走進樹林，開花的植物就會給我們提供食物、衣服和問候。一個多世紀以來，構建開花植物生命樹一直是進化生物學領域的一個重大挑戰和目標。這個項目通過爲大多數開花植物提供龐大的數據集，並提供一種實現這一目標的策略，使我們更接近這一目標。”

史密斯在這個項目中有兩個角色。首先，他的實驗室成員（包括前密歇根大學研究生德魯·拉爾森）前往英國皇家植物園，幫助對一種名爲埃裏卡萊斯的大型多樣植物群的成員進行測序，該植物群包括藍莓、茶、烏木、杜鵑花、杜鵑花和巴西堅果。

其次，史密斯與皇家植物園的威廉·貝克和菲利克斯·福裏斯特以及奧胡斯大學的沃爾夫·艾森哈特一起監督了項目數據集的分析和構建。

“該團隊面臨的最大挑戰之一是許多基因區域的意想不到的複雜性，不同的基因講述不同的進化曆史。史密斯說：“必須制定程序，以前所未有的規模檢查這些模式。”史密斯也是生物學項目的主任，還是密歇根大學植物標本室生物多樣性信息學的副館長。

對進化的新認識

作爲這項研究的共同負責人，卡拉瑟斯的主要職責包括利用200塊化石按時間劃分進化樹，分析構成整個進化樹的基因的不同進化曆史，並估計不同時期不同開花植物譜系的多樣化率。

卡拉瑟斯說：“基于如此多的基因，構建如此龐大的開花植物生命之樹，揭示了這一特殊群體的進化史，幫助我們理解它們是如何成爲世界上不可或缺和占主導地位的一部分的。所呈現的進化關系（以及它們背後的數據）將爲許多未來的研究提供重要的基礎。”

開花植物的生命之樹，就像我們自己的家譜一樣，使我們能夠理解不同物種之間是如何相互聯系的。生命之樹是通過比較不同物種之間的DNA序列，來識別隨時間積累的變化（突變），就像分子化石記錄一樣。

隨著DNA測序技術的進步，我們對生命之樹的理解正在迅速提高。在這項研究中，新的基因組技術被開發出來，從每個樣本中磁性捕獲數百個基因和數十萬個遺傳密碼字母，比以前的方法多出數量級。

該團隊方法的一個關鍵優勢是，即使DNA嚴重受損，它也可以對各種各樣的植物材料進行測序，無論新舊。世界植物標本館收藏的大量幹燥植物材料，包括近4億種科學植物標本，現在可以進行基因研究。

“在許多方面，這種新穎的方法使我們能夠與過去的植物學家合作，利用曆史植物標本館標本中的豐富數據，其中一些早在19世紀初就收集了，”裘園生命之樹倡議的高級研究負責人貝克說。

“我們傑出的前輩，如查爾斯·達爾文或約瑟夫·胡克，不可能預料到這些標本在今天的基因組研究中有多麽重要。DNA甚至在他們的有生之年都沒有被發現。我們的工作顯示了這些令人難以置信的植物博物館對地球上生命的開創性研究有多麽重要。誰知道它們背後還有什麽未被發現的科學機會呢？”

在測序的9506個物種中，超過3400個來自48個國家的163個植物標本館。

“爲研究植物關系而采集植物標本室標本，比從世界不同地區采集新鮮材料要容易得多，”密歇根大學植物標本室的退休研究科學家、前收集經理拉貝勒說。

在“生命之樹”項目中，拉貝勒幫助驗證了用于采樣的植物標本館標本的身份，並分析了結果數據。

單是開花植物就占了陸地上所有已知植物的90%，從最潮濕的熱帶地區到南極半島的岩石露頭，開花植物幾乎遍布地球的任何地方。然而，我們對這些植物如何在它們起源後不久就占據主導地位的理解，一直困擾著包括達爾文在內的幾代科學家。

開花植物起源于1.4億年前，之後它們迅速超過了其他維管植物，包括它們現存的近親 —— 裸子植物（種子裸露的非開花植物，如蘇鐵、針葉樹和銀杏）。

達爾文對化石記錄中似乎突然出現的這種多樣性感到困惑。在1879年寫給胡克的信中，他寫道：“據我們所知，在最近的地質時期，所有高等植物的迅速發展是一個令人憎惡的謎團。”胡克是他的密友，也是英國皇家植物園的負責人。

利用200塊化石，作者按時間順序排列了他們的生命之樹，揭示了開花植物是如何在地質時期進化的。他們發現，早期開花植物的多樣性確實爆發了，超過80%的主要譜系在它們起源後不久就出現了。

然而，在接下來的1億年裏，這一趨勢下降到一個更穩定的速度，直到大約4000萬年前，與全球氣溫下降相吻合的另一次多樣化激增。這些新的見解會讓達爾文著迷，也肯定會幫助今天的科學家應對理解物種如何以及爲什麽多樣化的挑戰。

全球合作和開放獲取

如果沒有裘園的科學家與全球許多合作夥伴的合作，組裝如此廣泛的生命之樹是不可能的。總共有279位作者參與了這項研究，他們代表了來自27個國家138個組織的不同國籍。

“植物群落在合作和協調分子測序方面有著悠久的曆史，以産生更全面、更強大的植物生命樹。導致這篇論文的努力延續了這一傳統，但規模相當大，”密歇根大學的史密斯說。

開花植物生命之樹在生物多樣性研究中具有巨大的潛力。這是因爲，正如人們可以根據元素周期表中的位置來預測元素的性質一樣，一個物種在生命之樹上的位置使我們能夠預測它的性質。因此，新的數據對于加強許多科學領域和其他領域將是無價的。

爲了實現這一目標，這棵樹和支撐它的所有數據都公開免費地提供給公衆和科學界，包括通過邱園生命之樹探索者。

開放獲取將幫助科學家充分利用這些數據，例如將其與人工智能相結合，以預測哪些植物物種可能包含具有藥用潛力的分子。

同樣，生命之樹可以用來更好地理解和預測害蟲和疾病在未來將如何影響植物。最終，作者指出，這些數據的應用將由訪問這些數據的科學家的聰明才智驅動。

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