En ny artikel publicerad idag (24 april) i tidskriften Nature av ett internationellt team av 279 forskare under ledning av Royal Botanic Gardens, presenterar Kew den mest uppdaterade förståelsen av livets blommande växtträd.
Med hjälp av 1,8 miljarder bokstäver med genetisk kod från mer än 9 500 arter som täcker nästan 8 000 kända släkten av blommande växter (ca 60 %), kastar denna otroliga prestation nytt ljus över blomväxternas evolutionära historia och deras uppkomst till ekologisk dominans på jorden.
Studiens författare tror att data kommer att underlätta framtida försök att identifiera nya arter, förfina växtklassificering, avslöja nya medicinska föreningar och bevara växter inför klimatförändringar och förlust av biologisk mångfald.
Den stora milstolpen för växtvetenskap, ledd av Kew och involverar 138 organisationer internationellt, byggdes på 15 gånger mer data än några jämförbara studier av livets blommande växtträd. Bland arterna som sekvenserats för denna studie har fler än 800 aldrig fått sitt DNA sekvenserat tidigare.
Den stora mängden data som låses upp av denna forskning, som skulle ta en enda dator 18 år att bearbeta, är ett stort steg mot att bygga ett livsträd för alla 330 000 kända arter av blommande växter – ett enormt åtagande från Kews Tree of Life Initiative.
Dr. Alexandre Zuntini, forskare vid RBG Kew, säger:"Att analysera denna oöverträffade mängd data för att avkoda informationen gömd i miljontals DNA-sekvenser var en enorm utmaning. Men det erbjöd också den unika möjligheten att omvärdera och utöka vår kunskap om växt livets träd, öppnar ett nytt fönster för att utforska komplexiteten i växtutveckling."
Låsa upp historiska herbarieexemplar för banbrytande forskning
Livets blommande växtträd, ungefär som vårt eget släktträd, gör det möjligt för oss att förstå hur olika arter är släkt med varandra. Livets träd avslöjas genom att jämföra DNA-sekvenser mellan olika arter för att identifiera förändringar (mutationer) som ackumuleras över tiden som ett molekylärt fossilregister.
Vår förståelse av livets träd förbättras snabbt i takt med framstegen inom DNA-sekvenseringsteknologi. För denna studie utvecklades nya genomiska tekniker för att magnetiskt fånga hundratals gener och hundratusentals bokstäver med genetisk kod från varje prov, storleksordningar mer än tidigare metoder.
En viktig fördel med teamets tillvägagångssätt är att det gör det möjligt att sekvensera en stor mångfald av växtmaterial, gammalt som nytt, även när DNA är svårt skadat. De stora skattkammaren av torkat växtmaterial i världens herbariesamlingar, som omfattar nästan 400 miljoner vetenskapliga exemplar av växter, kan nu studeras genetiskt.
Med hjälp av sådana exemplar sekvenserade teamet framgångsrikt ett sandörtsexemplar (Arenaria globiflora) som samlades in för nästan 200 år sedan i Nepal och kunde, trots den dåliga kvaliteten på dess DNA, placera det i livets träd.
Teamet analyserade till och med utdöda växter, såsom oliven Guadalupe Island (Hesperelaea palmeri), som inte har setts levande sedan 1875. Faktum är att 511 av de sekvenserade arterna redan riskerar att dö ut, enligt IUCN:s rödlista, inklusive tre till som Hesperelaea som redan är utdöda.
Professor William Baker, Senior Research Leader – Tree of Life, säger:"På många sätt har detta nya tillvägagångssätt tillåtit oss att samarbeta med det förflutnas botaniker genom att utnyttja den mängd data som är inlåst i historiska herbarieexemplar, av vilka några var samlade så långt tillbaka som i början av 1800-talet.
"Våra lysande föregångare som Charles Darwin eller Joseph Hooker kunde inte ha förutsett hur viktiga dessa exemplar skulle vara i genomforskningen idag. DNA upptäcktes inte ens under deras livstid!
"Vårt arbete visar hur viktiga dessa otroliga botaniska museer är för banbrytande studier av livet på jorden. Vem vet vilka andra oupptäckta vetenskapsmöjligheter som finns inom dem?"
Över alla 9 506 arter som sekvenserades kom mer än 3 400 från material från 163 herbarier i 48 länder. Ytterligare material från växtsamlingar runt om i världen (t.ex. DNA-banker, frön, levande samlingar) har varit avgörande för att fylla viktiga kunskapsluckor för att kasta nytt ljus över historien om blomväxters evolution. Teamet drog också nytta av allmänt tillgängliga data för mer än 1 900 arter, vilket lyfter fram värdet av den öppna vetenskapliga strategin för framtida genomisk forskning.
Enbart blommande växter står för cirka 90 % av allt känt växtliv på land och finns praktiskt taget överallt på planeten – från de ångaste tropikerna till de klippiga klipporna på den antarktiska halvön. Och ändå har vår förståelse av hur dessa växter kom att dominera scenen strax efter deras ursprung förbryllat forskare i generationer, inklusive Charles Darwin.
Blommande växter uppstod för mer än 140 miljoner år sedan, varefter de snabbt gick om andra kärlväxter inklusive deras närmaste levande släktingar - gymnospermerna (icke-blommande växter som har nakna frön, såsom cykader, barrträd och ginkgo).
Darwin blev mystifierad av det till synes plötsliga uppkomsten av en sådan mångfald i fossilregistret. I ett brev från 1879 till Joseph Dalton Hooker, hans nära förtrogna och direktör för RBG Kew, skrev han:"Den snabba utvecklingen så långt som vi kan bedöma av alla högre växter inom den senaste geologiska tiden är ett avskyvärt mysterium."
Med hjälp av 200 fossiler skalade författarna sitt livsträd till tid och avslöjade hur blommande växter utvecklades över geologisk tid. De fann att tidiga blommande växter verkligen exploderade i mångfald, vilket gav upphov till mer än 80 % av de stora linjerna som finns idag kort efter deras ursprung.
Men denna trend minskade sedan till en jämnare hastighet under de kommande 100 miljoner åren tills ytterligare en ökning av diversifieringen för cirka 40 miljoner år sedan, sammanfallande med en global nedgång i temperaturer. Dessa nya insikter skulle ha fascinerat Darwin och kommer säkerligen att hjälpa dagens vetenskapsmän att kämpa med utmaningarna att förstå hur och varför arter diversifierar sig.
Ett verkligt globalt samarbete
Att sätta ihop ett så här omfattande livsträd skulle ha varit omöjligt utan Kews forskare som samarbetat med många partners över hela världen. Totalt var 279 författare involverade i forskningen, representerande många olika nationaliteter från 138 organisationer i 27 länder. De inkluderar konsortiet Genomics for Australian Plants (GAP) som var tidiga användare av teamets tekniker och som arbetade i nära samarbete med Kew för att maximera antalet australiska växtarter i trädet.
Internationella medarbetare delade också med sig av sin unika botaniska expertis, liksom många värdefulla växtprover från hela världen som inte kunde erhållas utan deras hjälp. Trädets omfattande karaktär är inte till en liten del ett resultat av detta underbara partnerskap.
Dr. Mabel Lum, programchef på Bioplatforms Australia och från GAP-konsortiet, säger:"Vi är stolta över att vara en viktig partner och samarbetspartner i RBG Kews ansträngning att bygga global forskningsinfrastruktur för att främja vår förståelse av livets blommande växt. Detta fruktbart samarbete underströk vårt engagemang för att främja innovation och samarbete inom vetenskaplig forskning, vilket ger en språngbräda för framtida upptäckter som kommer att hjälpa till att forma vår förståelse av den naturliga världen för kommande generationer."
Använda livets växtträd
Livets blommande växtträd har en enorm potential inom forskning om biologisk mångfald. Detta beror på att, precis som man kan förutsäga egenskaperna hos ett grundämne baserat på dess position i det periodiska systemet, tillåter platsen för en art i livets träd oss att förutsäga dess egenskaper. De nya uppgifterna kommer därför att vara ovärderliga för att förbättra många vetenskapsområden och bortom.
För att möjliggöra detta har trädet och all data som ligger till grund för det gjorts öppet och fritt tillgängligt för både allmänheten och forskarvärlden, inklusive genom Kew Tree of Life Explorer. Studiens författare anser att sådan öppen tillgång är nyckeln till att demokratisera tillgången till vetenskapliga data över hela världen.
Open access kommer också att hjälpa forskare att utnyttja data på bästa sätt, till exempel genom att kombinera dem med artificiell intelligens för att förutsäga vilka växtarter som kan innehålla molekyler med medicinsk potential. På liknande sätt kan livets träd användas för att bättre förstå och förutsäga hur skadedjur och sjukdomar kommer att påverka växterna i Storbritannien i framtiden. I slutändan, noterar författarna, kommer tillämpningarna av denna data att styras av uppfinningsrikedomen hos forskarna som har tillgång till dem.
Dr Melanie-Jayne Howes, Senior Research Leader vid RBG Kew som inte var en författare i studien men kommer att använda data i sin forskning, säger:"Växtkemikalier har inspirerat många farmaceutiska läkemedel, men har fortfarande stor outnyttjad potential att hjälpa framtida läkemedelsupptäckt Utmaningen är att veta vilka man ska undersöka vetenskapligt i sökandet efter nya läkemedel av de ca 330 000 blommande växtarterna.
"På Kew använder vi AI för att förutsäga vilka växtarter som innehåller kemikalier med farmaceutisk potential för malaria. Tillgången till denna stora nya datauppsättning erbjuder spännande möjligheter att förbättra dessa förutsägelser och därmed påskynda läkemedelsupptäckten från växter för malaria och andra sjukdomar också."
Anmärkningsvärda arter i livets blommande växtträd
Mer information: Zuntini, A. R., Carruthers, T. et al, Phylogenomics and the rise of the angiosperms, Nature (2024). www.nature.com/articles/s41586-024-07324-0
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Royal Botanic Gardens, Kew
