“分子化石”追溯地球之花“家谱”，18亿遗传密码重建开花植物进化树

2024-05-01 20:21:54 来源：中国科技网

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为什么一项关于花花草草的研究，会被评价为“令人难以置信的成就”？

英国皇家植物园领导的由279名科学家组成的国际团队，4月24日在《自然》杂志上发表了一篇新论文，公布了科学界对开花植物种系进化树的最新认识。

这项研究利用了来自9500多个物种的18亿个遗传密码，覆盖了近8000个已知的开花植物属（约60%），为人类展开了一部植物进化史，并告诉人们，这些植物是如何在地球生态的主导地位上崛起的。

研究人员认为，这些宝贵数据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。

“解锁”历史植物标本

开花植物的种系进化树，就像人类家谱一样，能使人们了解不同物种之间的关系。通过比较不同物种之间的DNA序列来发现进化树，以识别随着时间推移而积累的变化（突变），就像考证“分子化石”记录。

随着DNA测序技术进步，人们对进化树的了解也在迅速提高。在这项研究中，团队开发了新的基因组技术，可从每个样本中获得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。

新方法的一个关键优势是，即使DNA严重受损，也能对各种新旧植物材料进行测序。世界各国的植物标本馆都是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，蕴藏着海量进化信息。

譬如，团队可对近200年前在尼泊尔采集的沙草样本进行测序，尽管其DNA质量较差，但仍能将其放置在种系进化树中。

又譬如，他们还分析了已经灭绝的植物，例如瓜达卢佩岛橄榄。事实上，根据世界自然保护联盟濒危物种红色名录（IUCN），此次已测序的物种中有511个已面临灭绝风险。

在所有已测序的9506个物种中，超过3400个物种来自48个国家163个植物标本馆，其他来自世界各地植物收藏品，例如DNA库、种子、活体收藏品等材料。这些对于填补关键知识空白、了解开花植物进化史至关重要。

解开令达尔文困惑的谜团

开花植物起源于1.4亿多年前，此后它们迅速取代其他维管植物，占了陆地上所有已知植的90%左右。

然而，包括查尔斯·达尔文在内的几代科学家都对这种情况感到困惑：这些植物为何会在起源后不久就占据了主导地位？

针对化石记录中看似突然出现的多样性，达尔文在1879年给他的密友、皇家植物园园长约瑟夫·胡克的信中写道：“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讨厌的谜团。”

现在，研究团队利用200块化石，将他们的进化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1亿年里却以稳定速度下降，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。这些新见解有助于当今科学家理解物种是怎样应对多样化挑战的。

开放共享进化树“果实”

构建开花植物进化树对生物多样性研究具有重要意义。就像人们可根据元素在元素周期表中的位置来预测其属性一样，物种在进化树中的位置也可让人们预测其属性。因此，进化树包含的新数据有助促进许多科学领域的发展。

此次研究利用到的数据中，有1900多个物种是此前公开的，这正是开放科学方法对基因组研究的价值。

数据的进一步开放，还将帮助科学家在未来充分利用这些研究成果，例如将其与人工智能（AI）相结合，就可以预测哪些植物种类可能含有药用分子。同样，也能帮助科学家更好地了解病虫害，预测其未来会对植物产生何种影响。

研究人员表示，AI已用来预测哪些植物中含有具备治疗疟疾潜力的化学物质。新构建的开花植物进化树包含庞大的数据集，为作出更多更准确预测提供了机会，加速从植物中发现药物治愈棘手疾病。