一个由279名科学家组成的国际团队最近在《自然》杂志上发表了一项研究，提供了对开花植物生命之树的最新见解。
利用9500多个物种的18亿个遗传密码字母，覆盖了近8000个已知的开花植物属（约占60%），这一成就为开花植物的进化史及其在地球上的生态优势的崛起提供了新的视角。
由英国皇家植物园（Royal Botanic Gardens, Kew）的科学家领导的研究小组认为，这些数据将有助于未来识别新物种、完善植物分类、发现新的药用化合物，以及在气候变化和生物多样性丧失的情况下保护植物。
这一植物科学的重要里程碑涉及138个国际组织，其数据量是任何对开花植物生命之树的可比研究的15倍。在这项研究中测序的物种中，有800多个以前从未进行过DNA测序。
这项研究释放的大量数据，将需要一台计算机18年的时间来处理，这是为所有33万种已知开花植物建立生命之树的巨大进步 —— 这是裘园生命之树倡议的一项巨大任务。
皇家植物园的研究员亚历山大·祖蒂尼说：“分析这些前所未有的数据，来解码隐藏在数百万个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植物生命之树的认识，为探索植物进化的复杂性打开了一扇新的窗口。”
汤姆·卡拉瑟斯是密歇根大学进化生物学家斯蒂芬·史密斯实验室的博士后研究员，他与曾在英国皇家植物园（Kew）共事的祖蒂尼共同撰写了这项研究。密歇根大学植物系统学家理查德·拉贝勒也是作者之一。
该研究的合著者、密歇根大学生态与进化生物学教授史密斯说：“每当我们走进树林，开花的植物就会给我们提供食物、衣服和问候。一个多世纪以来，构建开花植物生命树一直是进化生物学领域的一个重大挑战和目标。这个项目通过为大多数开花植物提供庞大的数据集，并提供一种实现这一目标的策略，使我们更接近这一目标。”
史密斯在这个项目中有两个角色。首先，他的实验室成员（包括前密歇根大学研究生德鲁·拉尔森）前往英国皇家植物园，帮助对一种名为埃里卡莱斯的大型多样植物群的成员进行测序，该植物群包括蓝莓、茶、乌木、杜鹃花、杜鹃花和巴西坚果。
其次，史密斯与皇家植物园的威廉·贝克和菲利克斯·福里斯特以及奥胡斯大学的沃尔夫·艾森哈特一起监督了项目数据集的分析和构建。
“该团队面临的最大挑战之一是许多基因区域的意想不到的复杂性，不同的基因讲述不同的进化历史。史密斯说：“必须制定程序，以前所未有的规模检查这些模式。”史密斯也是生物学项目的主任，还是密歇根大学植物标本室生物多样性信息学的副馆长。
作为这项研究的共同负责人，卡拉瑟斯的主要职责包括利用200块化石按时间划分进化树，分析构成整个进化树的基因的不同进化历史，并估计不同时期不同开花植物谱系的多样化率。
卡拉瑟斯说：“基于如此多的基因，构建如此庞大的开花植物生命之树，揭示了这一特殊群体的进化史，帮助我们理解它们是如何成为世界上不可或缺和占主导地位的一部分的。所呈现的进化关系（以及它们背后的数据）将为许多未来的研究提供重要的基础。”
开花植物的生命之树，就像我们自己的家谱一样，使我们能够理解不同物种之间是如何相互联系的。生命之树是通过比较不同物种之间的DNA序列，来识别随时间积累的变化（突变），就像分子化石记录一样。
随着DNA测序技术的进步，我们对生命之树的理解正在迅速提高。在这项研究中，新的基因组技术被开发出来，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，比以前的方法多出数量级。
该团队方法的一个关键优势是，即使DNA严重受损，它也可以对各种各样的植物材料进行测序，无论新旧。世界植物标本馆收藏的大量干燥植物材料，包括近4亿种科学植物标本，现在可以进行基因研究。
“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的丰富数据，其中一些早在19世纪初就收集了，”裘园生命之树倡议的高级研究负责人贝克说。
“我们杰出的前辈，如查尔斯·达尔文或约瑟夫·胡克，不可能预料到这些标本在今天的基因组研究中有多么重要。DNA甚至在他们的有生之年都没有被发现。我们的工作显示了这些令人难以置信的植物博物馆对地球上生命的开创性研究有多么重要。谁知道它们背后还有什么未被发现的科学机会呢？”
“为研究植物关系而采集植物标本室标本，比从世界不同地区采集新鲜材料要容易得多，”密歇根大学植物标本室的退休研究科学家、前收集经理拉贝勒说。
单是开花植物就占了陆地上所有已知植物的90%，从最潮湿的热带地区到南极半岛的岩石露头，开花植物几乎遍布地球的任何地方。然而，我们对这些植物如何在它们起源后不久就占据主导地位的理解，一直困扰着包括达尔文在内的几代科学家。
开花植物起源于1.4亿年前，之后它们迅速超过了其他维管植物，包括它们现存的近亲 —— 裸子植物（种子裸露的非开花植物，如苏铁、针叶树和银杏）。
达尔文对化石记录中似乎突然出现的这种多样到困惑。在1879年写给胡克的信中，他写道：“据我们所知，在最近的地质时期，所有高等植物的迅速发展是一个令人憎恶的谜团。”胡克是他的密友，也是英国皇家植物园的负责人。
利用200块化石，作者按时间顺序排列了他们的生命之树，揭示了开花植物是如何在地质时期进化的。他们发现，早期开花植物的多样性确实爆发了，超过80%的主要谱系在它们起源后不久就出现了。
然而，在接下来的1亿年里，这一趋势下降到一个更稳定的速度，直到大约4000万年前，与全球气温下降相吻合的另一次多样化激增。这些新的见解会让达尔文着迷，也肯定会帮助今天的科学家应对理解物种如何以及为什么多样化的挑战。
如果没有裘园的科学家与全球许多合作伙伴的合作，组装如此广泛的生命之树是不可能的。总共有279位作者参与了这项研究，他们代表了来自27个国家138个组织的不同国籍。
“植物群落在合作和协调分子测序方面有着悠久的历史，以产生更全面、更强大的植物生命树。导致这篇论文的努力延续了这一传统，但规模相当大，”密歇根大学的史密斯说。
开花植物生命之树在生物多样性研究中具有巨大的潜力。这是因为，正如人们可以根据元素周期表中的位置来预测元素的性质一样，一个物种在生命之树上的位置使我们能够预测它的性质。因此，新的数据对于加强许多科学领域和其他领域将是无价的。
为了实现这一目标，这棵树和支撑它的所有数据都公开免费地提供给公众和科学界，包括通过邱园生命之树探索者。
开放获取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，以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理解和预测害虫和疾病在未来将如何影响植物。最终，作者指出，这些数据的应用将由访问这些数据的科学家的聪明才智驱动。
