全球科学团队使用18亿个字母的遗传密码揭示了植物的巨大DNA生命树
科学家们对寄生植物Pilostyles aethiopica进行了测序，这种植物生活在其他植物内部，只有在开花时才能看到。DNA测序对这种植物所在的类群进行了重新分类。来源：uux.cn/Sidonie Bellot，RBG Kew
（神秘的地球uux.cn）据英国皇家植物园：英国皇家植物园领导的279名科学家组成的国际团队今天（4月24日）在《自然》杂志上发表了一篇新论文，介绍了对开花植物生命树的最新了解。
这一令人难以置信的成就利用了来自9500多个物种的18亿个字母的遗传密码，涵盖了近8000个已知的开花植物属（约60%），为开花植物的进化史及其在地球上的生态优势提供了新的线索。
该研究的作者认为，这些数据将有助于未来在气候变化和生物多样性丧失的情况下识别新物种、完善植物分类、发现新的药用化合物以及保护植物。
这一植物科学的重要里程碑，由邱领导，涉及138个国际组织，建立在比任何对开花植物生命树的可比研究都多15倍的数据之上。在为这项研究测序的物种中，有800多个以前从未进行过DNA测序。
这项研究解锁的数据量之大，需要一台计算机18年的时间来处理，这是朝着为所有33万种已知开花植物建造生命之树迈出的一大步——这是邱生命之树倡议的一项重大任务。
RBG Kew研究员Alexandre Zuntini博士表示，“分析这一前所未有的数据量，以解码隐藏在数百万个DNA序列中的信息，是一个巨大的挑战。但这也为重新评估和扩展我们对植物生命树的知识提供了独特的机会，为探索植物进化的复杂性打开了一扇新的窗口。”
被子植物生命树建立在比可比研究多15倍的数据基础上，涉及9500多种不同开花植物的测序。来源：uux.cn/RBG Kew
解锁历史植物标本馆标本进行尖端研究
开花植物生命树，就像我们自己的家谱一样，使我们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序列来发现的，以识别随着时间的推移而积累的变化（突变），就像分子化石记录一样。
随着DNA测序技术的进步，我们对生命之树的理解正在迅速提高。在这项研究中，开发了新的基因组技术，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，比早期的方法多了几个数量级。
该团队方法的一个关键优势是，即使DNA严重受损，也能对各种各样的植物材料进行测序，包括新旧植物材料。世界植物标本馆收藏的大量干燥植物材料宝库，包括近4亿个植物科学标本，现在可以进行基因研究。
利用这些标本，该团队成功地对近200年前在尼泊尔采集的一个沙蒿标本（全球沙蒿）进行了测序，尽管其DNA质量较差，但仍能将其放入生命之树。
该团队甚至分析了已经灭绝的植物，比如瓜达卢佩岛橄榄（Hespeelaea palmeri），自1875年以来就没有人见过它活着。事实上，根据世界自然保护联盟红色名录，已测序的物种中有511个已经面临灭绝的风险，其中还有三个类似于已经灭绝的赫斯佩拉。
生命之树高级研究负责人William Baker教授说：“在许多方面，这种新颖的方法使我们能够通过利用历史植物标本馆中的丰富数据与过去的植物学家合作，其中一些标本早在19世纪初就被收集到了。
“我们杰出的前辈，如查尔斯·达尔文或约瑟夫·胡克，无法预料这些标本在今天的基因组研究中会有多么重要。DNA甚至在他们的一生中都没有被发现！
“我们的工作表明，这些令人难以置信的植物博物馆对地球上生命的开创性研究是多么重要。谁知道它们还有哪些未被发现的科学机会呢？”
在测序的9506个物种中，3400多个来自48个国家的163个草药库。来自世界各地植物收藏的额外材料（如DNA库、种子、活体收藏）对于填补关键知识空白至关重要，从而为开花植物进化史提供新的线索。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。
揭示达尔文令人憎恶的奥秘
仅开花植物就占陆地上所有已知植物生命的90%左右，在地球上几乎无处不在——从最潮湿的热带到南极半岛的岩石露头。然而，我们对这些植物是如何在起源后不久就占据主导地位的理解，让包括查尔斯·达尔文在内的几代科学家感到困惑。
开花植物起源于1.4亿多年前，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（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突然出现的这种多样性感到困惑。在1879年写给他的密友、RBG邱园主任Joseph Dalton Hooker的一封信中，他写道：“据我们所知，在最近的地质时代，所有高等植物的快速发展是一个令人憎恶的谜。”
利用200块化石，作者根据时间缩放了他们的生命树，揭示了开花植物是如何在地质时期进化的。他们发现，早花植物的多样性确实激增，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，这一趋势下降到了一个更稳定的速度，直到大约4000万年前，随着全球气温的下降，多样化再次激增。这些新的见解会让达尔文着迷，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。
为这项研究测序的最古老的植物是纳撒尼尔·沃利奇于1829年收集的一个干燥的全球阿伦纳利植物标本馆标本。来源：RBG Kew
真正的全球合作
如果没有邱大学的科学家与全球许多合作伙伴的合作，组装一棵如此广泛的生命树是不可能的。总共有279名作者参与了这项研究，他们代表了来自27个国家138个组织的许多不同国籍。其中包括澳大利亚植物基因组学（GAP）联盟，他们是该团队技术的早期采用者，并与邱园密切合作，最大限度地增加树上的澳大利亚植物物种数量。
国际合作者还分享了他们独特的植物学专业知识，以及许多来自世界各地的珍贵植物样本，如果没有他们的帮助，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奇妙伙伴关系的结果。
澳大利亚生物平台公司项目经理、GAP联盟的Mabel Lum博士表示：“我们很自豪能成为RBG Kew建立全球研究基础设施的主要合作伙伴和合作者，以促进我们对开花植物生命树的理解。这一富有成果的合作强调了我们致力于促进科学研究的创新和合作，为未来的发现提供了跳板，这将有助于塑造我们对未来几代人自然世界的理解。”
Alstonia spectabilis是一种对当地德顿人具有重要药用价值的物种，并首次被测序。来源：uux.cn/RBG Kew
好好利用生命之树
开花植物生命树在生物多样性研究中具有巨大的潜力。这是因为，正如人们可以根据元素在周期表中的位置来预测元素的性质一样，物种在生命树中的位置也让我们能够预测其性质。因此，这些新数据将对加强许多科学领域及其他领域具有宝贵价值。
为了实现这一点，公众和科学界都可以公开、自由地访问这棵树和支撑它的所有数据，包括通过邱园生命树探索者。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，预测哪些植物物种可能包括具有药用潜力的分子。同样，生命之树可以用来更好地了解和预测病虫害未来将如何影响英国的植物。作者指出，最终，这些数据的应用将由访问这些数据的科学家的独创性驱动。
RBG邱园高级研究负责人Melanie Jayne Howes博士不是这项研究的作者，但她将在研究中利用这些数据，她说：“植物化学物质激发了许多药物的灵感，但在帮助未来药物发现方面仍有巨大的未开发潜力。挑战在于知道在从约33万种开花植物中寻找新药的过程中应该科学地研究哪种。”。
“在邱大学，我们正在应用人工智能来预测哪些植物物种含有对疟疾有药用潜力的化学物质。这一庞大的新数据集的可用性为加强这些预测提供了令人兴奋的机会，从而加快了从植物中发现疟疾和其他疾病的药物。”
这棵新的生命树重新分类了宽花菊的科和属，宽花菊是一种结着奇异果实的热带小树。来源：uux.cn/Danilo Tandang
开花植物生命树中的杰出物种
因野生山羊而灭绝：Hespeelaea palmeri，也称为瓜达卢佩岛橄榄（olivo de la Isla de Guadalupe）。根据1875年医生爱德华·帕尔默在墨西哥下加利福尼亚州瓜达卢佩岛采集的邱园植物标本进行测序。一种属于橄榄科（木犀科）的树，由于非本地山羊过度放牧，现已灭绝。
已测序的最古老的标本：格氏Arenaria globiflora，也被称为尼泊尔沙蒿。根据1829年纳撒尼尔·沃利奇在邱园采集的植物标本进行测序。这个引人注目的标本来自一种生长在海拔3600米以上的喜马拉雅山植物。
寄生植物家族之谜被解开：毛柄菌，茎吸盘科（Apodathaceae）的成员。根据Kew的Sidonie Bellot于2012年在津巴布韦收集的植物组织测序。这种奇怪的寄生虫生活在其他植物的树枝里，只有当它开花时才能看到。此前人们认为它与南瓜和秋海棠（Cucurbitals）有密切的亲缘关系，研究发现它属于Malpighiales群。
奇特的热带树木，重新分类：宽花菊，黄山毛榉科（Stemonuraceae）的成员。根据1993年在印度尼西亚新几内亚采集的邱园植物标本进行测序。这种热带小树结着奇异的针果，以前被归入冬青科。新生命树将其属和科重新分类到一个全新的目中。
胡克19世纪50年代喜马拉雅山探险队的竹子：头倒立草，禾本科植物。根据1850年RBG Kew的第二任主任Joseph Hooker和他的朋友Thomas Thomson在印度采集的植物标本进行测序。
首次对药用植物进行测序：壮观的Alstonia spectabilis，也被特顿人称为Kroti metan。根据1954年在巴布亚新几内亚采集的邱园植物标本进行测序。这棵20米高的大树生长在东南亚和澳大利亚的热带雨林中。尽管对西帝汶的德顿人来说，治疗疟疾在医学上很重要，也是一种宝贵的木材来源，但其DNA以前从未被测序过。
