由包括密歇根大學三名生物學家在内的 279 名科學家組成的國際團隊最近在《自然》雜志上發表的一項研究，提供了有關開花植物生命樹的最新見解。這項成果使用了來自 9500 多個物種的 18 億個遺傳密碼，涵蓋近 8000 個已知有花植物屬（約占 60%），為有花植物的進化史及其在地球上崛起為生态主導提供了新的視角。
在邱園皇家植物園科學家的上司下，研究小組相信這些資料将有助于今後識别新物種、完善植物分類、發現新的藥用化合物，以及在氣候變化和生物多樣性喪失的情況下保護植物。
這項植物科學領域的重大裡程碑研究涉及 138 個國際組織，其所依據的資料量是對有花植物生命樹進行的同類研究的 15 倍。在為這項研究進行測序的物種中，有 800 多個物種的DNA以前從未被測序過。
這項研究揭示的資料量之大，需要一台計算機花費 18 年的時間才能處理完畢，這是邱園"生命之樹計劃"在為所有 33 萬種已知有花植物建立生命之樹方面邁出的一大步。
"分析這一前所未有的資料量，解碼隐藏在數百萬 DNA 序列中的資訊，是一項巨大的挑戰。但這也為我們重新評估和擴充對植物生命樹的認識提供了一個獨特的機會，為探索植物進化的複雜性打開了一扇新視窗，"邱園皇家植物園研究員亞曆山大-尊蒂尼（Alexandre Zuntini）說。
馬薩諸塞大學進化生物學家斯蒂芬-史密斯（Stephen Smith）實驗室的博士後研究員湯姆-卡魯瑟（Tom Carruthers）是這項研究的共同第一作者，他與尊蒂尼曾在邱園共事。馬薩諸塞大學植物系統學家理查德-拉貝勒（Richard Rabeler）是該研究的共同作者。
被子植物生命之樹。資料來源：RBG Kew
"每當我們走進森林，開花植物都會為我們提供食物、衣物和問候。一個多世紀以來，建構開花植物生命樹一直是進化生物學領域的重大挑戰和目标，"這項研究的共同作者、麻省理工大學生态學與進化生物學系教授史密斯說。"這個項目為大多數有花植物屬提供了一個龐大的資料集，為完成這一目标提供了一種政策，進而使我們離這一目标更近了一步。"
史密斯在該項目中扮演了兩個角色。首先，他的實驗室成員--包括麻省理工大學前研究所學生德魯-拉爾森（Drew Larson）--前往邱園，幫助對一個名為"Ericales"的大型多樣性植物群的成員進行測序，該植物群包括藍莓、茶、杜鵑花、杜鵑花和巴西堅果。
其次，史密斯與邱園皇家植物園的威廉-貝克（William Baker）和費利克斯-弗雷斯特（Felix Forest）以及奧胡斯大學的沃爾夫-艾森哈特（Wolf Eisenhardt）共同監督了項目資料集的分析和建構。
"研究小組面臨的最大挑戰之一是許多基因區域所蘊含的意想不到的複雜性，在這些區域中，不同的基因講述着不同的進化史。團隊面臨的最大挑戰之一是許多基因區域所蘊含的意想不到的複雜性，不同的基因講述着不同的進化曆史。我們必須開發出一種程式，以前所未有的規模來研究這些模式。"
作為這項研究的共同負責人，卡魯瑟的主要職責包括利用 200 塊化石将進化樹按時間進行縮放，分析整體進化樹基礎基因的不同進化史，以及估算不同開花植物系在不同時期的多樣化率。
卡魯瑟說："基于如此多的基因，為有花植物建構如此龐大的生命樹，揭示了這一特殊群體的進化史，幫助我們了解它們是如何成為世界上如此不可或缺的主要組成部分的。所展示的進化關系--以及這些關系所依據的資料--将為今後的大量研究奠定重要基礎。"
開花植物的生命樹就像我們的家譜一樣，能讓我們了解不同物種之間的關系。生命樹是通過比較不同物種之間的 DNA 序列來發現變化（突變）的，這些變化随着時間的推移不斷累積，就像分子化石記錄一樣。
随着 DNA 測序技術的進步，我們對生命之樹的了解也在迅速加深。在這項研究中，我們開發了新的基因組技術，通過磁力從每個樣本中捕捉數百個基因和數十萬個遺傳密碼，比早期的方法多出幾個數量級。
Arenaria globilfora.資料來源：RBG Kew
該研究小組的方法的一個主要優勢是，它能對多種多樣的新老植物材料進行測序，即使DNA受到嚴重破壞也不例外。世界标本館收藏了近 4 億份植物科學标本，其中有大量的幹燥植物材料，現在可以對它們進行基因研究了。
邱園生命之樹計劃的進階研究負責人貝克說："從很多方面來說，這種新穎的方法使我們能夠與過去的植物學家合作，利用曆史标本館标本中的大量資料，其中一些标本早在19世紀初就被收集起來了。我們傑出的前輩，如查爾斯-達爾文或約瑟夫-胡克，不可能預料到這些标本在今天的基因組研究中會如此重要。在他們的有生之年，DNA 甚至還沒有被發現。我們的工作表明，這些令人難以置信的植物博物館對于地球生命的開創性研究有多麼重要。誰知道其中還蘊藏着哪些未被發現的科學機遇呢？"
在所有 9506 個測序物種中，有 3 400 多個來自 48 個國家 163 個标本館的材料。
馬薩諸塞大學名譽研究科學家、馬薩諸塞大學标本館前館長拉貝勒說："為研究植物關系而對标本館标本進行采樣，使得從世界不同地區進行廣泛采樣的可行性大大提高，而不需要長途跋涉從野外擷取新鮮材料。"
在生命之樹項目中，拉貝勒幫助核實了标本館采樣标本的身份，并對所得資料進行了分析。僅開花植物就占陸地上所有已知植物生命的 90%，幾乎遍布地球的每一個角落--從最濕潤的熱帶到南極半島的岩石露頭。然而，我們對這些植物是如何在起源後不久就占據了主導地位的了解，卻困惑了包括達爾文在内的幾代科學家。
開花植物起源于 1.4 億多年前，之後迅速取代了其他維管植物，包括它們的近親--裸子植物（有裸露種子的非開花植物，如蘇鐵、針葉樹和銀杏）。
達爾文對化石記錄中看似突然出現的這種多樣性感到神秘。在 1879 年寫給他的密友、邱園皇家植物園園長胡克的信中，他寫道："據我們判斷，所有高等植物都是在最近的地質年代迅速發展起來的，這是一個令人憎惡的謎。"
作者利用 200 塊化石，将他們的生命樹按時間順序排列，揭示了開花植物是如何跨越地質年代進化的。他們發現，早期有花植物的多樣性确實出現了爆炸性增長，在其起源後不久就産生了今天存在的80%以上的主要品系。
然而，在接下來的 1 億年裡，這一趨勢逐漸趨于平穩，直到大約 4000 萬年前，随着全球氣溫的下降，物種多樣性再次激增。這些新的洞察力會讓達爾文着迷，也必将幫助今天的科學家們努力應對了解物種如何以及為什麼會多樣化的挑戰。
如果沒有邱園科學家與全球衆多合作夥伴的通力合作，就不可能形成如此龐大的生命之樹。總共有 279 位作者參與了這項研究，他們來自 27 個國家的 138 個組織，代表着不同的國籍。
"植物界長期以來一直在合作和協調分子測序工作，以生成更全面、更強大的植物生命樹。"馬薩諸塞大學的史密斯說："發表這篇論文的努力延續了這一傳統，但規模卻大大擴大了。"
開花植物生命樹在生物多樣性研究方面具有巨大潛力。這是因為，正如人們可以根據元素在元素周期表中的位置來預測其特性一樣，我們也可以根據物種在生命樹中的位置來預測其特性。是以，這些新資料對于促進科學及其他許多領域的發展将是非常寶貴的。
為實作這一目标，生命之樹及其基礎資料已認證邱園生命之樹資料總管（KewTree of Life Explorer）等管道向公衆和科學界公開和免費開放。開放通路将有助于科學家充分利用這些資料，例如将其與人工智能相結合，預測哪些植物物種可能含有具有藥用潛力的分子。同樣，生命之樹也可用于更好地了解和預測病蟲害在未來将如何影響植物。作者指出，這些資料的應用最終将取決于擷取資料的科學家的聰明才智。
編譯來源：ScitechDaily