Et stort DNA-livstræ for planter afsløret af globalt videnskabshold ved hjælp af 1,8 milliarder bogstaver med genetisk kode

Låse op for historiske herbarieprøver til banebrydende forskning

Livets blomstrende plantetræ gør, ligesom vores eget stamtræ, os i stand til at forstå, hvordan forskellige arter er relateret til hinanden. Livets træ afdækkes ved at sammenligne DNA-sekvenser mellem forskellige arter for at identificere ændringer (mutationer), der akkumuleres over tid som en molekylær fossiloptegnelse.

Vores forståelse af livets træ forbedres hurtigt i takt med fremskridt inden for DNA-sekventeringsteknologi. Til denne undersøgelse blev der udviklet nye genomiske teknikker til magnetisk at fange hundredvis af gener og hundredtusindvis af bogstaver med genetisk kode fra hver prøve, størrelsesordener mere end tidligere metoder.

En vigtig fordel ved holdets tilgang er, at den gør det muligt at sekventere en bred mangfoldighed af plantemateriale, gammelt og nyt, selv når DNA'et er stærkt beskadiget. De enorme skattekister af tørret plantemateriale i verdens herbariesamlinger, som omfatter næsten 400 millioner videnskabelige eksemplarer af planter, kan nu studeres genetisk.

Ved at bruge sådanne prøver sekventerede holdet med succes en sandurt-prøve (Arenaria globiflora) indsamlet for næsten 200 år siden i Nepal og var, på trods af den dårlige kvalitet af dets DNA, i stand til at placere den i livets træ.

Holdet analyserede endda uddøde planter, sådan har oliven på øen Guadalupe (Hesperelaea palmeri), som ikke er set i live siden 1875. Faktisk er 511 af de sekventerede arter allerede i risiko for at uddø, ifølge IUCNs rødliste, bl.a. tre mere som Hesperelaea, der allerede er uddøde.

Professor William Baker, Senior Research Leader – Tree of Life, siger:"På mange måder har denne nye tilgang givet os mulighed for at samarbejde med fortidens botanikere ved at udnytte det væld af data, der er indespærret i historiske herbarieprøver, hvoraf nogle var samlet så langt tilbage som i begyndelsen af ​​det 19. århundrede.

"Vores berømte forgængere såsom Charles Darwin eller Joseph Hooker kunne ikke have forudset, hvor vigtige disse prøver ville være i genomisk forskning i dag. DNA blev ikke engang opdaget i deres levetid!

"Vores arbejde viser, hvor vigtige disse utrolige botaniske museer er for banebrydende studier af livet på Jorden. Hvem ved, hvilke andre uopdagede videnskabelige muligheder der ligger i dem?"

På tværs af alle 9.506 sekventerede arter kom mere end 3.400 fra materiale hentet fra 163 herbarier i 48 lande. Yderligere materiale fra plantesamlinger rundt om i verden (f.eks. DNA-banker, frø, levende samlinger) har været afgørende for at udfylde vigtige videnhuller for at kaste nyt lys over historien om blomstrende planters udvikling. Holdet nød også godt af offentligt tilgængelige data for mere end 1.900 arter, hvilket fremhæver værdien af ​​den åbne videnskabelige tilgang til fremtidig genomisk forskning.

Belysning af Darwins afskyelige mysterium

Blomstrende planter alene tegner sig for omkring 90% af alt kendt planteliv på land og findes stort set overalt på planeten - fra de mest dampende troper til klippefremspringene på den antarktiske halvø. Og alligevel har vores forståelse af, hvordan disse planter kom til at dominere scenen kort efter deres oprindelse, forvirret videnskabsmænd i generationer, inklusive Charles Darwin.

Blomstrende planter opstod for mere end 140 millioner år siden, hvorefter de hurtigt overhalede andre karplanter inklusive deres nærmeste nulevende slægtninge - gymnospermerne (ikke-blomstrende planter, der har nøgne frø, såsom cycader, nåletræer og ginkgo).

Darwin blev mystificeret over den tilsyneladende pludselige optræden af ​​en sådan mangfoldighed i fossiloptegnelsen. I et brev fra 1879 til Joseph Dalton Hooker, hans nære fortrolige og direktør for RBG Kew, skrev han:"Den hurtige udvikling, så vidt vi kan bedømme af alle de højere planter inden for den seneste geologiske tid, er et afskyeligt mysterium."

Ved at bruge 200 fossiler skalerede forfatterne deres livstræ til tid og afslørede, hvordan blomstrende planter udviklede sig over geologisk tid. De fandt ud af, at tidligt blomstrende planter faktisk eksploderede i mangfoldighed, hvilket gav anledning til mere end 80 % af de store slægter, der eksisterer i dag, kort efter deres oprindelse.

Men denne tendens faldt derefter til en mere stabil hastighed i de næste 100 millioner år indtil endnu en stigning i diversificering for omkring 40 millioner år siden, hvilket faldt sammen med et globalt fald i temperaturer. Disse nye indsigter ville have fascineret Darwin og vil helt sikkert hjælpe nutidens videnskabsmænd med at kæmpe med udfordringerne med at forstå, hvordan og hvorfor arter diversificerer.

Et virkeligt globalt samarbejde

At samle et så omfattende livstræ ville have været umuligt uden Kews videnskabsmænd, der samarbejdede med mange partnere over hele kloden. I alt var 279 forfattere involveret i forskningen, der repræsenterer mange forskellige nationaliteter fra 138 organisationer i 27 lande. De omfatter konsortiet Genomics for Australian Plants (GAP), som var tidlige brugere af holdets teknikker, og som arbejdede i tæt samarbejde med Kew for at maksimere antallet af australske plantearter i træet.

Internationale samarbejdspartnere delte også deres unikke botaniske ekspertise, såvel som mange dyrebare planteprøver fra hele verden, som ikke kunne fås uden deres hjælp. Træets omfattende karakter er ikke en lille del et resultat af dette vidunderlige partnerskab.

Dr. Mabel Lum, Program Manager hos Bioplatforms Australia og fra GAP-konsortiet, siger:"Vi er stolte af at være en vigtig partner og samarbejdspartner i RBG Kews indsats for at opbygge global forskningsinfrastruktur for at fremme vores forståelse af livets træ i blomstrende planter. Dette frugtbart samarbejde understregede vores forpligtelse til at fremme innovation og samarbejde inden for videnskabelig forskning, hvilket giver et springbræt for fremtidige opdagelser, der vil hjælpe med at forme vores forståelse af den naturlige verden i de kommende generationer."

Brug af livets plantetræ

Livets blomstrende plantetræ har et enormt potentiale inden for forskning i biodiversitet. Dette skyldes, at ligesom man kan forudsige et grundstofs egenskaber ud fra dets position i det periodiske system, så giver en arts placering i livets træ os mulighed for at forudsige dets egenskaber. De nye data vil således være uvurderlige til at forbedre mange videnskabsområder og videre.

For at muliggøre dette er træet og alle de data, der understøtter det, gjort åbent og frit tilgængeligt for både offentligheden og det videnskabelige samfund, herunder gennem Kew Tree of Life Explorer. Studiets forfattere mener, at sådan åben adgang er nøglen til at demokratisere adgangen til videnskabelige data over hele kloden.

Åben adgang vil også hjælpe videnskabsmænd med at udnytte dataene bedst muligt, såsom at kombinere dem med kunstig intelligens for at forudsige, hvilke plantearter der kan omfatte molekyler med medicinsk potentiale. På samme måde kan livets træ bruges til bedre at forstå og forudsige, hvordan skadedyr og sygdomme kommer til at påvirke planter i Storbritannien i fremtiden. I sidste ende, bemærker forfatterne, vil anvendelsen af ​​disse data blive drevet af opfindsomheden hos de videnskabsmænd, der har adgang til dem.

Dr. Melanie-Jayne Howes, Senior Research Leader hos RBG Kew, som ikke var forfatter på undersøgelsen, men som vil gøre brug af dataene i sin forskning, siger:"Plantekemikalier har inspireret mange farmaceutiske lægemidler, men har stadig et stort uudnyttet potentiale til at hjælpe med at opdage lægemidler i fremtiden

"Hos Kew anvender vi kunstig intelligens til at forudsige, hvilke plantearter der indeholder kemikalier med farmaceutisk potentiale for malaria. Tilgængeligheden af ​​dette enorme nye datasæt giver spændende muligheder for at forbedre disse forudsigelser og dermed også fremskynde opdagelsen af ​​lægemidler fra planter til malaria og andre sygdomme."

Bemærkelsesværdige arter i livets blomstrende plantetræ

• Uddød på grund af vildtlevende geder:Hesperelaea palmeri, også kendt som oliven på øen Guadalupe (olivo de la Isla de Guadalupe). Sekvenseret fra et herbarieprøve ved Kew, indsamlet på Guadalupe Island, ud for Baja California, Mexico i 1875 af læge Edward Palmer. Et træ, der tilhører olivenfamilien (Oleaceae), er nu uddødt på grund af overgræsning af ikke-indfødte geder.

• Ældste eksemplar i rækkefølge:Arenaria globiflora, også kendt som nepalesisk sandurt. Sekvenseret fra et herbarieprøve ved Kew indsamlet i 1829 af Nathaniel Wallich. Dette bemærkelsesværdige eksemplar kommer fra en Himalaya-bjergplante, der vokser på over 3.600 m.

• Parasitisk plantefamiliemysterium løst:Pilostyles aethiopica, medlem af stammesugerfamilien (Apodanthaceae). Sekvenseret fra plantevæv indsamlet i Zimbabwe i 2012 af Kews Sidonie Bellot. Denne mærkelige parasit lever inde i andre planters grene og er kun synlig, når den bryder ud i blomst. Tidligere anset for at være nært beslægtet med græskar og begonier (Cucurbitales), undersøgelse viste, at den sidder i gruppen Malpighiales.

• Bizarre tropiske træer omklassificeret:Medusanthera laxiflora, medlem af buff-bøgefamilien (Stemonuraceae). Sekvenseret fra et herbariumprøve ved Kew, indsamlet i Indonesisk Ny Guinea i 1993. Dette lille tropiske træ med bizarre nålefrugter blev tidligere klassificeret sammen med kristtornfamilien. Nyt livstræ har omklassificeret sin slægt og familie til en helt ny orden.

• Bambus fra Hookers Himalaya-ekspedition fra 1850'erne:Cephalosachyum capitatum, medlem af græsfamilien (Poaceae). Sekvenseret fra et herbarieprøve indsamlet i Indien i 1850 af Joseph Hooker, RBG Kews anden instruktør, og hans ven Thomas Thomson.

• Lægeplante sekventeret for allerførste gang:Alstonia spectabilis, også kendt som Kroti metan af Tetun-folk. Sekvenseret fra et herbarieprøve ved Kew, indsamlet i Papua Ny Guinea i 1954. Dette massive, 20 m høje træ findes i regnskovene i SØ Asien og Australien. På trods af at det er medicinsk vigtigt for Tetun-befolkningen i Vesttimor til at behandle malaria, samt at det er en værdifuld kilde til træ, er dets DNA aldrig blevet sekventeret før.

Flere oplysninger: Zuntini, A. R., Carruthers, T. et al., Phylogenomics and the rise of the angiosperms, Nature (2024). www.nature.com/articles/s41586-024-07324-0

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Royal Botanic Gardens, Kew