Вчені відкривають новаторське дерево життя

Дерево життя квітучих рослин, подібно до нашого генеалогічного дерева, дозволяє нам зрозуміти, як різні види пов’язані один з одним. Дерево життя відкривається шляхом порівняння послідовностей ДНК між різними видами, щоб ідентифікувати зміни (мутації), які накопичуються з часом, як молекулярний літопис скам’янілостей. Наше розуміння дерева життя швидко покращується завдяки прогресу в технології секвенування ДНК.

Нещодавно вчені з Королівського ботанічного саду в Кью спільно з колегами з Інституту ботаніки Куньміна (KIB) Академії наук Китаю та навколо нього створили велике ДНК-дерево життя, яке забезпечує відкритий доступ до послідовностей ДНК понад 9500 квіткових рослин. Цей безцінний ресурс дає нам відповідь на ключові запитання про сучасне рослинне життя та зазирне в минуле до його витоків. Їхнє дослідження нещодавно було опубліковано в Nature.

Технологічний прогрес у секвенуванні ДНК

Ключова перевага підходу полягає в тому, що його можна використовувати для секвенування широкого діапазону рослинного матеріалу, старого та нового, навіть якщо ДНК сильно пошкоджена. Величезні скарби висушеного рослинного матеріалу у світових гербарних колекціях, які включають майже 400 мільйонів наукових зразків рослин, тепер можна вивчати генетично.

Використовуючи такі зразки, дослідники секвенували зразок пісковика (Arenaria globiflora), зібраний майже 200 років тому в Непалі, і, незважаючи на низьку якість його ДНК, змогли помістити його в дерево життя. Вони навіть проаналізували вимерлі рослини, такі як олива з острова Гваделупе (Hesperelaea palmeri), яку не бачили живою з 1875 року. Насправді 511 із секвенованих видів уже перебувають під загрозою зникнення, згідно з даними Міжнародного союзу охорони природи. Список, включаючи ще три, схожі на Hesperelaea, які вже вимерли.

Глобальна співпраця та новітні відкриття

З 9506 видів, секвенованих для цього дослідження, понад 3400 були отримані з матеріалу, отриманого зі 163 гербаріїв у 48 країнах, з додатковим матеріалом із колекцій рослин по всьому світу (наприклад, банки ДНК, насіння та живі колекції).

Серед секвенованих видів понад 800 ніколи раніше не секвенували ДНК. Ця послідовність була важливою, щоб заповнити важливі прогалини в знаннях і пролити нове світло на еволюційну історію квіткових рослин. Дослідники також скористалися загальнодоступними даними про понад 1900 видів, підкреслюючи цінність підходу відкритої науки для майбутніх геномних досліджень.

Незважаючи на контрастні біологічні властивості ядерного та пластидного геномів (наприклад, розмір, кількість копій, спосіб успадкування, рекомбінація та швидкість еволюції), які можуть призвести до конфліктних філогенічних дерев, результати значною мірою підтверджують філогенетичну класифікацію, що базується переважно на пластидах. IV група філогенезу покритонасінних. Наприклад, 58 з 64 прийнятих на цей час порядків і 406 з 416 родин були відновлені як монофілетичні (за винятком артефактів).

Найбільш вражаючим винятком є ​​немонофілія айстрових, найбільшої родини покритонасінних, до якої входять соняшники та їхні родичі. Дерево, отримане в результаті цього дослідження, також підтверджує 85% зв’язків між сім’ями, відновленими вченими з KIB за допомогою філогеномічного дерева покритонасінних рослин за допомогою пластомів.

«Огидна таємниця» Дарвіна та еволюційні ідеї

Квіткові рослини виникли понад 140 мільйонів років тому, після чого вони швидко витіснили інші судинні рослини. Дарвін був спантеличений, здавалося б, раптовою появою такого різноманіття в літописі скам’янілостей і писав: «Швидкий розвиток, наскільки ми можемо судити, усіх вищих рослин протягом останніх геологічних часів — це жахлива загадка».

Використовуючи 200 скам’янілостей, дослідники відстежили своє дерево життя назад у часі, щоб показати, як квіткові рослини еволюціонували протягом геологічного часу. Вони виявили, що ранні квітучі рослини справді вибухають у різноманітності, як зазначив Дарвін. Швидкий розвиток цих рослин дав початок, невдовзі після їх походження, більш ніж 80% основних ліній, які існують сьогодні. Однак ця тенденція потім знизилася до більш стабільної швидкості протягом наступних 100 мільйонів років, доки інший сплеск диверсифікації не стався приблизно 40 мільйонів років тому, що збіглося з глобальним падінням температури.

Ці нові відкриття зачарували б Дарвіна і, безсумнівно, допоможуть сучасним вченим, коли вони борються з проблемами розуміння того, як і чому диверсифікуються види.

Квіткова рослина дерево життя має величезний потенціал для дослідження 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. Тому нові дані будуть безцінні для вдосконалення багатьох галузей науки та не тільки.

Щоб зробити це можливим, дерево та всі його базові дані були відкрито та вільно доступні як для громадськості, так і для наукової спільноти, в тому числі через Kew Tree of Life Explorer. Дослідники вважають, що такий відкритий доступ є ключовим для демократизації доступу до наукових даних у всьому світі.

Відкритий доступ також допоможе вченим максимально використати 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 дослідники, застосування цих даних буде залежати від винахідливості вчених, які мають доступ до них.