科技日報(bào)記者?張夢然
為什么一項(xiàng)關(guān)于花花草草的研究，會被評價(jià)為“令人難以置信的成就”？
英國皇家植物園領(lǐng)導(dǎo)的由279名科學(xué)家組成的國際團(tuán)隊(duì)，4月24日在《自然》雜志上發(fā)表了一篇新論文，公布了科學(xué)界對開花植物種系進(jìn)化樹的最新認(rèn)識。
這項(xiàng)研究利用了來自9500多個(gè)物種的18億個(gè)遺傳密碼，覆蓋了近8000個(gè)已知的開花植物屬（約60%），為人類展開了一部植物進(jìn)化史，并告訴人們，這些植物是如何在地球生態(tài)的主導(dǎo)地位上崛起的。
構(gòu)建被子植物進(jìn)化樹的數(shù)據(jù)比同類研究多15倍，涉及對9500多種不同開花植物的測序。
圖片來源：英國皇家植物園
研究人員認(rèn)為，這些寶貴數(shù)據(jù)有助于未來識別新物種、完善植物分類、發(fā)現(xiàn)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(hù)植物。
“解鎖”歷史植物標(biāo)本
開花植物的種系進(jìn)化樹，就像人類家譜一樣，能使人們了解不同物種之間的關(guān)系。通過比較不同物種之間的DNA序列來發(fā)現(xiàn)進(jìn)化樹，以識別隨著時(shí)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(shù)進(jìn)步，人們對進(jìn)化樹的了解也在迅速提高。在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了新的基因組技術(shù)，可從每個(gè)樣本中獲得數(shù)百個(gè)基因和數(shù)十萬個(gè)遺傳密碼字母，比早期方法多了幾個(gè)數(shù)量級。
該研究中測序的最古老的植物是1829年收集的干燥植物標(biāo)本。
圖片來源：英國皇家植物園
新方法的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是，即使DNA嚴(yán)重受損，也能對各種新舊植物材料進(jìn)行測序。世界各國的植物標(biāo)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(xué)標(biāo)本，蘊(yùn)藏著海量進(jìn)化信息。
研究中首次被測序的Alstonia spectabilis標(biāo)本，這是一種對原住民德頓人具有重要藥用價(jià)值的物種。
圖片來源： 英國皇家植物園
譬如，團(tuán)隊(duì)可對近200年前在尼泊爾采集的沙草樣本進(jìn)行測序，盡管其DNA質(zhì)量較差，但仍能將其放置在種系進(jìn)化樹中。
又譬如，他們還分析了已經(jīng)滅絕的植物，例如瓜達(dá)盧佩島橄欖。事實(shí)上，根據(jù)世界自然保護(hù)聯(lián)盟瀕危物種紅色名錄（IUCN），此次已測序的物種中有511個(gè)已面臨滅絕風(fēng)險(xiǎn)。
在所有已測序的9506個(gè)物種中，超過3400個(gè)物種來自48個(gè)國家163個(gè)植物標(biāo)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(bǔ)關(guān)鍵知識空白、了解開花植物進(jìn)化史至關(guān)重要。
解開令達(dá)爾文困惑的謎團(tuán)
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的90%左右。
然而，包括查爾斯·達(dá)爾文在內(nèi)的幾代科學(xué)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(jù)了主導(dǎo)地位？
科學(xué)家對寄生植物 Pilostyles aethiopica 進(jìn)行了測序，這種植物生活在其他植物體內(nèi)，只有在開花時(shí)才可見。 DNA 測序已對這種植物所屬的類群進(jìn)行了重新分類。
圖片來源：Sidonie Bellot/英國皇家植物園
針對化石記錄中看似突然出現(xiàn)的多樣性，達(dá)爾文在1879年給他的密友、皇家植物園園長約瑟夫·胡克的信中寫道：“據(jù)我們判斷，近代地質(zhì)時(shí)期所有高等植物的快速發(fā)展是一個(gè)令人討厭的謎團(tuán)?！?/p>
現(xiàn)在，研究團(tuán)隊(duì)利用200塊化石，將他們的進(jìn)化樹按時(shí)間進(jìn)行了縮放，揭示了開花植物如何在不同的地質(zhì)時(shí)期進(jìn)化。他們發(fā)現(xiàn)，早期開花植物的多樣性確實(shí)呈爆炸性增長，在其起源后不久就產(chǎn)生了今天存在的80%以上的主要譜系。
新的進(jìn)化樹對松花蛇發(fā)草科和屬進(jìn)行了重新分類，這是一種結(jié)有奇異果實(shí)的熱帶小樹。
圖片來源：達(dá)尼洛·坦當(dāng)
然而，這種趨勢在接下來的1億年里卻以穩(wěn)定速度下降，直到大約4000萬年前，生物多樣性再次激增，同時(shí)全球氣溫下降。這些新見解有助于當(dāng)今科學(xué)家理解物種是怎樣應(yīng)對多樣化挑戰(zhàn)的。
開放共享進(jìn)化樹“果實(shí)”
構(gòu)建開花植物進(jìn)化樹對生物多樣性研究具有重要意義。就像人們可根據(jù)元素在元素周期表中的位置來預(yù)測其屬性一樣，物種在進(jìn)化樹中的位置也可讓人們預(yù)測其屬性。因此，進(jìn)化樹包含的新數(shù)據(jù)有助促進(jìn)許多科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。
此次研究利用到的數(shù)據(jù)中，有1900多個(gè)物種是此前公開的，這正是開放科學(xué)方法對基因組研究的價(jià)值。
數(shù)據(jù)的進(jìn)一步開放，還將幫助科學(xué)家在未來充分利用這些研究成果，例如將其與人工智能（AI）相結(jié)合，就可以預(yù)測哪些植物種類可能含有藥用分子。同樣，也能幫助科學(xué)家更好地了解病蟲害，預(yù)測其未來會對植物產(chǎn)生何種影響。
研究人員表示，AI已用來預(yù)測哪些植物中含有具備治療瘧疾潛力的化學(xué)物質(zhì)。新構(gòu)建的開花植物進(jìn)化樹包含龐大的數(shù)據(jù)集，為作出更多更準(zhǔn)確預(yù)測提供了機(jī)會，加速從植物中發(fā)現(xiàn)藥物治愈棘手疾病。
