Вчені побудували дерево життя, використовуючи 1,8 мільярда літер генетичного коду

Нещодавнє дослідження, опубліковане в журналі Nature міжнародною командою з 279 вчених, включаючи трьох біологів з Мічиганського університету, надає новітні відомості про квітучу рослину, дерево життя. Використовуючи 1,8 мільярда літер генетичного коду більш ніж 9500 видів, що охоплюють майже 8000 відомих родів квіткових рослин (приблизно 60%), це досягнення проливає нове світло на еволюційну історію квіткових рослин і їх зростання до екологічного домінування на Землі.

Дослідницька група, очолювана вченими з Королівського ботанічного саду Кью, вважає, що ці дані допоможуть у майбутніх спробах виявити нові види, уточнити класифікацію рослин, виявити нові лікарські сполуки та зберегти рослини в умовах зміни клімату та втрати біорізноманіття.

Основна віха в рослинництві, в якій брали участь 138 організацій з усього світу, була побудована на основі в 15 разів більшої кількості даних, ніж будь-які порівняльні дослідження квіткових рослин дерева життя. Серед видів, секвенованих для цього дослідження, понад 800 ніколи раніше не секвенували ДНК.

Технологічні виклики та рішення

Величезний обсяг даних, отриманих у результаті цього дослідження, на обробку якого одному комп’ютеру знадобилося б 18 років, є величезним кроком у напрямку побудови дерева життя для всіх 330 000 відомих видів квіткових рослин — масштабного заходу Ініціативи К’ю «Древо життя».

«Аналіз цієї безпрецедентної кількості даних для декодування інформації, прихованої в мільйонах послідовностей ДНК, був величезним завданням. Але це також запропонувало унікальну можливість переоцінити та розширити наші знання про рослинне древо життя, відкривши нове вікно для вивчення складності еволюції рослин», — сказав Александр Зунтіні, науковий співробітник Королівського ботанічного саду, Кью.

Том Каррузерс, постдокторський дослідник у лабораторії еволюційного біолога Університету Стівена Сміта, є співавтором дослідження разом із Зунтіні, з яким він раніше працював у К’ю. Систематик рослин UM Річард Рабелер є співавтором.

«Квіткові рослини годують, одягають і вітають нас, коли ми йдемо в ліс. Створення квітучої рослини-дерева життя було серйозним викликом і метою для галузі еволюційної біології протягом більш ніж століття», – сказав Сміт, співавтор дослідження та професор кафедри екології та еволюційної біології UM. «Цей проект наближає нас до цієї мети, надаючи величезний набір даних для більшості родів квіткових рослин і пропонуючи одну стратегію досягнення цієї мети».

Сміт виконував у проекті дві ролі. Спочатку співробітники його лабораторії, включно з колишнім аспірантом Університету університету Дрю Ларсоном, вирушили до Кью, щоб допомогти визначити членів великої та різноманітної групи рослин під назвою Ericales, до якої входять чорниця, чай, чорне дерево, азалії, рододендрони та бразильські горіхи.

По-друге, Сміт керував аналізом і створенням набору даних проекту разом з Вільямом Бейкером і Феліксом Форестом з Королівського ботанічного саду, Кью та Вольфом Айзенхардтом з Орхуського університету.

«Однією з найбільших проблем, з якою зіткнулася команда, була несподівана складність, що лежить в основі багатьох генних регіонів, де різні гени розповідають про різні еволюційні історії. Необхідно було розробити процедури для вивчення цих закономірностей у масштабах, яких раніше не робили», — сказав Сміт, який також є директором Програми з біології та помічником куратора з інформатики біорізноманіття в Гербарії UM.

Нове розуміння еволюції

Як співкерівник дослідження, основні обов’язки Каррутерса включали масштабування еволюційного дерева за часом за допомогою 200 скам’янілостей, аналіз різних еволюційних історій генів, що лежать в основі загального еволюційного дерева, та оцінку темпів диверсифікації в різних лініях квіткових рослин у різний час .

«Побудова такого великого дерева життя для квіткових рослин на основі такої кількості генів проливає світло на еволюційну історію цієї особливої ​​групи, допомагаючи нам зрозуміти, як вони стали такою невід’ємною та домінуючою частиною світу», — Каррутерс. сказав. «Представлені еволюційні зв’язки — і дані, що лежать в їх основі — стануть важливою основою для багатьох майбутніх досліджень».

Дерево життя квітучих рослин, подібно до нашого родинного дерева, дає нам змогу зрозуміти, як різні види пов’язані між собою. Дерево життя відкривається шляхом порівняння послідовностей ДНК між різними видами, щоб визначити зміни (мутації), які накопичуються з часом, як молекулярні скам’янілі рештки.

Наше розуміння дерева життя швидко покращується разом із прогресом у технології секвенування ДНК. Для цього дослідження були розроблені нові геномні методи для магнітного захоплення сотень генів і сотень тисяч літер генетичного коду з кожного зразка, що на порядки більше, ніж попередні методи.

Ключовою перевагою підходу команди є те, що він дає змогу секвенувати широкий спектр рослинного матеріалу, старого та нового, навіть якщо ДНК сильно пошкоджена. Величезні скарби висушеного рослинного матеріалу у світових гербарних колекціях, які охоплюють майже 400 мільйонів наукових зразків рослин, тепер можна вивчати генетично.

«У багатьох відношеннях цей новий підхід дозволив нам співпрацювати з ботаніками минулого, користуючись великою кількістю даних, що зберігаються в історичних гербарних зразках, деякі з яких були зібрані ще на початку 19 століття», — сказав Бейкер. , старший науковий керівник Ініціативи К’ю «Древо життя».

«Наші видатні попередники, такі як Чарльз Дарвін або Джозеф Хукер, не могли передбачити, наскільки важливі ці зразки для геномних досліджень сьогодні. ДНК навіть не виявили за їх життя. Наша робота показує, наскільки важливі ці неймовірні ботанічні музеї для новаторських досліджень життя на Землі. Хто знає, які ще невідкриті наукові можливості ховаються в них?»

З усіх 9506 секвенованих видів більше ніж 3400 походять із матеріалу, отриманого зі 163 гербаріїв у 48 країнах.

«Відбір гербарних зразків для вивчення зв’язків між рослинами робить вибірку з різних куточків світу набагато більш здійсненною, ніж якби вам довелося подорожувати, щоб отримати свіжий матеріал із поля», — сказав Рабелер з U-M, почесний науковий співробітник і колишній колекціонер. завідувач Гербарію УМ.

Для проекту «Дерево життя» Рабелер допоміг перевірити тотожність гербарних зразків, відібраних для відбору, і проаналізував отримані дані.

Лише квіткові рослини складають близько 90% усього відомого рослинного світу на суші й зустрічаються практично скрізь на планеті — від найпарніших тропіків до скелястих відслонень Антарктичного півострова. І все ж наше розуміння того, як ці рослини стали домінувати на сцені незабаром після їх походження, спантеличило вчених протягом багатьох поколінь, включаючи Дарвіна.

Квіткові рослини виникли понад 140 мільйонів років тому, після чого вони швидко витіснили інші судинні рослини, включаючи їхніх найближчих живих родичів — голонасінні (неквіткові рослини з голим насінням, такі як цикас, хвойні дерева та гінкго).

Дарвін був збентежений, здавалося б, раптовою появою такого різноманіття в скам’янілому літописі. У листі 1879 року до Гукера, його близької довіреної особи та директора Королівського ботанічного саду в Кью, він писав: «Швидкий розвиток, наскільки ми можемо судити, усіх вищих рослин за останні геологічні часи, є огидною таємницею».

Використовуючи 200 скам’янілостей, автори масштабували своє дерево життя до часу, показуючи, як квіткові рослини еволюціонували протягом геологічного часу. Вони виявили, що ранні квітучі рослини дійсно вибухнули в різноманітності, давши початок більш ніж 80% основних ліній, які існують сьогодні, незабаром після їх походження.

Однак ця тенденція потім знизилася до стабільнішої швидкості протягом наступних 100 мільйонів років до наступного сплеску диверсифікації приблизно 40 мільйонів років тому, що збіглося з глобальним зниженням температури. Ці нові ідеї захопили б Дарвіна і, безсумнівно, допоможуть сучасним ученим, які борються з проблемами розуміння того, як і чому диверсифікуються види.

Глобальна співпраця та відкритий доступ

Створення такого масштабного дерева життя було б неможливим без співпраці вчених К’ю з багатьма партнерами по всьому світу. Загалом до дослідження було залучено 279 авторів, які представляли різні національності зі 138 організацій у 27 країнах.

«Спільнота рослин має довгу історію співпраці та координації молекулярного секвенування для створення більш повного та міцного рослинного дерева життя. Зусилля, які призвели до створення цієї статті, продовжують цю традицію, але значно збільшуються», — сказав Сміт з U-M.

Квіткова рослина дерево життя має величезний потенціал у дослідженні біорізноманіття. Це пояснюється тим, що, так само як можна передбачити властивості елемента на основі його положення в періодичній таблиці, розташування виду в дереві життя дозволяє передбачити його властивості. Таким чином, нові дані будуть безцінні для вдосконалення багатьох галузей науки та не тільки.

Щоб уможливити це, дерево та всі дані, які його ґрунтують, були відкрито та вільно доступні як для громадськості, так і для наукової спільноти, зокрема через Kew Tree of Life Explorer. Відкритий доступ допоможе вченим якнайкраще використовувати дані, наприклад, поєднати їх зі штучним інтелектом, щоб передбачити, які види рослин можуть містити молекули з лікарським потенціалом. Так само дерево життя можна використовувати, щоб краще зрозуміти та передбачити, як шкідники та хвороби вплинуть на рослини в майбутньому. Зрештою, зазначають автори, застосування цих даних буде залежати від винахідливості вчених, які отримають до них доступ.