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的主導地位上崛起的。

研究人員認為，這些寶貴數據有助于未來識別新物種、完善植物分類、發現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序列來發現進化樹，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，團隊開發了新的基因組技術，可從每個樣本中獲得數百個基因和數十萬個遺傳密碼字母，比早期方法多了幾個數量級。

新方法的一個關鍵優勢是， 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，他們還分析了已經滅絕的植物，例如瓜達盧佩島橄欖。事實上，根據世界自然保護聯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了主導地位？

針對化石記錄中看似突然出現的多樣性，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：“據我們判斷，近代地質時期所有高等植物的快速發展是一個令人討厭的謎團。”

現在，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。他們發現，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，進化樹包含的新數據有助促進許多科學領域的發展。

此次研究利用到的數據中，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。

數據的進一步開放，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據集，為作出更多更準確預測提供了機會，加速從植物中發現藥物治愈棘手疾病。（ 綜合整理報道）（策劃/羅媛）