跳动城乡网由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，提出了对开花植物生命之树的最新认识。
这项令人难以置信的成就利用了来自9,500多个物种的18亿个遗传密码，覆盖了近8,000个已知的开花植物属(约60%)，为了解开花植物的进化史及其在地球上的生态主导地位的崛起提供了新的线索。
该研究的作者相信，这些数据将有助于未来识别新物种、完善植物分类、发现新药用化合物以及在气候变化和生物多样性丧失的情况下保护植物的尝试。
这项植物科学的重要里程碑由邱园领导，涉及国际上138个组织，所建立的数据比任何开花植物生命之树的同类研究多15倍。在本研究进行测序的物种中，有800多个物种以前从未进行过DNA测序。
这项研究释放的数据量巨大，一台计算机需要18年才能处理完毕，这对于为所有330,000种已知开花植物构建生命树来说是一个巨大的进步，这是邱园生命之树计划的一项艰巨任务。
RBGKew研究员AlexandreZuntini博士表示：“分析如此大量的数据以解码隐藏在数百万条DNA序列中的信息是一项巨大的挑战。但它也提供了一个独特的机会来重新评估和扩展我们对DNA序列的了解。种植生命之树，为探索植物进化的复杂性打开了一扇新窗口。”
被子植物生命之树建立的数据比同类研究多15倍，涉及对9,500多种不同的开花植物进行测序。图片来源：RBGKew
解锁历史植物标本馆标本以进行前沿研究
开花植物的生命之树，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。通过比较不同物种之间的DNA序列来发现生命之树，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，我们对生命之树的了解正在迅速提高。在这项研究中，开发了新的基因组技术，可以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，比早期方法多了几个数量级。
该团队的方法的一个关键优势是，即使DNA严重受损，它也能够对各种新旧植物材料进行测序。世界植物标本馆藏品中蕴藏着巨大的干燥植物材料宝库，其中包括近4亿份植物科学标本，现在可以进行基因研究。
利用这些样本，研究小组成功对近200年前在尼泊尔采集的沙草样本(Arenariaglobiflora)进行了测序，尽管其DNA质量较差，但仍能够将其放置在生命之树中。
该团队甚至分析了已经灭绝的植物，例如瓜达卢佩岛橄榄(Hesperelaeapalmeri)，自1875年以来就再也没有见过它活着。事实上，根据IUCN名录，已测序的物种中有511个已面临灭绝的危险，包括另外三种类似Hesperelaea的植物已经灭绝。
生命之树高级研究负责人威廉·贝克教授说：“在许多方面，这种新颖的方法使我们能够与过去的植物学家合作，利用历史植物标本馆标本中锁存的丰富数据，其中一些是早在19世纪初就已收集。
“我们杰出的前辈，如查尔斯·达尔文或约瑟夫·胡克，无法预料到这些标本在今天的基因组研究中会有多么重要。在他们有生之年，DNA甚至还没有被发现!
“我们的工作表明，这些令人难以置信的植物博物馆对于地球生命的开创性研究有多么重要。谁知道其中还蕴藏着哪些其他未被发现的科学机会呢?”
在所有已测序的9,506个物种中，超过3,400个物种来自48个国家163个植物标本馆的材料。来自世界各地植物收藏品(例如DNA库、种子、活体收藏品)的其他材料对于填补关键知识空白、为了解开花植物进化史提供新的线索至关重要。该团队还受益于1,900多个物种的公开数据，凸显了开放科学方法对未来基因组研究的价值。
揭开达尔文令人厌恶的谜团
仅开花植物就占陆地上所有已知植物生命的约90%，并且几乎在地球上的任何地方都可以找到它们——从最潮湿的热带地区到南极半岛的岩石露头。然而，我们对这些植物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，此后它们迅速取代了其他维管植物，包括它们现存的近亲裸子植物(具有裸露种子的非开花植物，如苏铁、叶树和银杏)。
达尔文对化石记录中看似突然出现的多样性感到困惑。在1879年写给他的密友、皇家植物园邱园院长约瑟夫·道尔顿·胡克(JosephDaltonHooker)的信中，他写道：“据我们判断，近代地质时期所有高等植物的快速发展是一个令人厌恶的谜团。”
作者利用200块化石，将他们的生命树按时间进行了缩放，揭示了开花植物如何在不同的地质时期进化。他们发现，早期开花植物的多样性确实呈爆炸性增长，在其起源后不久就产生了今天存在的80%以上的主要谱系。
然而，这种趋势在接下来的1亿年里以稳定的速度下降，直到大约4000万年前生物多样性再次激增，同时全球气温下降。这些新见解会让达尔文着迷，也必将帮助当今的科学家应对理解物种如何以及为何多样化的挑战。
该研究中测序的最古老的植物是NathanielWallich于1829年收集的干燥植物标本。图片来源：RBGKew
真正的全球合作
如果没有邱园科学家与全球许多合作伙伴的合作，组装如此广泛的生命树是不可能的。总共有279位作者参与了这项研究，他们来自27个国家的138个组织，来自不同的国家。其中包括澳大利亚植物基因组学(GAP)联盟，该联盟是该团队技术的早期采用者，并与邱园密切合作，以最大限度地增加树中澳大利亚植物物种的数量。
国际合作者还分享了他们独特的植物学专业知识，以及来自世界各地的许多珍贵植物样本，如果没有他们的帮助就无法获得。这棵树的综合性在很大程度上是这种美妙合作关系的结果。
来自GAP联盟的BioplatformsAustralia项目经理MabelLum博士表示：“我们很荣幸成为RBGKew努力建立全球研究基础设施以增进我们对开花植物生命之树的理解的主要合作伙伴和合作者。富有成效的合作凸显了我们对促进科学研究创新和合作的承诺，为未来的发现提供了跳板，这将有助于塑造我们子孙后代对自然世界的理解。”
Alstoniaspectabilis是一种对原住民德顿人具有重要药用价值的物种，并且首次被测序。图片来源：RBGKew
充分利用植物生命之树
开花植物生命之树在生物多样性研究中具有巨大潜力。这是因为，正如人们可以根据元素在元素周期表中的位置来预测其属性一样，物种在生命之树中的位置也可以让我们预测其属性。因此，新数据对于促进许多科学领域及其他领域的发展具有无价的价值。
为了实现这一目标，这棵树以及支撑它的所有数据都已向公众和科学界公开、免费地开放，包括通过英国皇家植物园生命之树浏览器(KewTreeofLifeExplorer)。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来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获取这些数据的科学家的聪明才智来推动。
RBGKew的高级研究负责人Melanie-JayneHowes博士不是该研究的作者，但将在她的研究中使用这些数据，她说：“植物化学物质启发了许多药物，但仍有巨大的未开发潜力帮助未来的药物发现。在从大约330,000种开花植物中寻找新药物时，我们面临的挑战是知道要对哪些植物进行科学研究。
“在邱园，我们正在应用人工智能来预测哪些植物物种含有具有治疗疟疾药物潜力的化学物质。这一庞大的新数据集的可用性为增强这些预测提供了令人兴奋的机会，从而加速从植物中发现治疗疟疾和其他疾病的药物。”
开花植物生命之树中的杰出物种
因野山羊而灭绝：Hesperelaeapalmeri，也称为瓜达卢佩岛橄榄(olivodelaIsladeGuadalupe)。对1875年医生爱德华·帕尔默(EdwardPalmer)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了测序。它是一种属于橄榄科(木犀科)的树，现已因非本地山羊的过度放牧而灭绝。
最古老的测序标本：Arenariaglobiflora，也称为尼泊尔沙草。根据NathanielWallich于1829年在邱园采集的植物标本进行测序。这个非凡的标本来自生长在3,600m以上的喜马拉雅山植物。
解决了寄生植物家族之谜：Pilostylesaethiopica，茎秆科(Apodanthaceae)的成员。由Kew的SidonieBellot于2012年在津巴布韦收集的植物组织进行测序。这种奇怪的寄生虫生活在其他植物的树枝内，只有在开花时才可见。此前人们认为它与南瓜和秋海棠(Cucurbitales)密切相关，研究发现它属于金虎尾目(Malpighiales)。
奇异的热带树木重新分类：Medusantheralaxiflora，浅电影 山毛榉科(百部)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室标本进行测序。这种结有奇特果的热带小树以前被归入冬青科。新的生命之树将其属和科重新分类为一个全新的目。
来自胡克1850年代喜马拉雅探险队的竹子：Cephalostachyumcapitum，草科(禾本科)成员。根据RBGKew的第二任主任JosephHooker和他的朋友ThomasThomson于1850年在印度采集的植物标本进行测序。
首次测序的药用植物：Alstoniaspectabilis，德顿人也将其称为Krotimetan。根据1954年在巴布亚新几内亚采集的邱园植物标本室标本进行测序。这棵高20m的巨大树木发现于东南亚和澳大利亚的雨林中。尽管对西帝汶的德顿人来说具有治疗疟疾的重要药用价值，并且是宝贵的木材来源，但其DNA以前从未被测序过。
