_ Vast ADN Arborele vieții pentru plante, dezvăluit de o echipă științifică globală folosind 1,8 miliarde de litere de cod genetic

O nouă lucrare publicată astăzi (24 aprilie) în revista Nature de o echipă internațională de 279 de oameni de știință conduși de Grădina Botanică Regală , Kew prezintă cea mai recentă înțelegere a plantelor cu flori arborele vieții.

Folosind 1,8 miliarde de litere de cod genetic din peste 9.500 de specii care acoperă aproape 8.000 de genuri cunoscute de plante cu flori (aproximativ 60% ), această realizare incredibilă aruncă o nouă lumină asupra istoriei evolutive a plantelor cu flori și a ascensiunii lor la dominația ecologică pe Pământ.

Autorii studiului cred că datele vor ajuta încercările viitoare de a identifica noi specii, de a rafina clasificarea plantelor, descoperă noi compuși medicinali și conservă plantele în fața schimbărilor climatice și a pierderii biodiversității.

Piatra de hotar majoră pentru știința plantelor, condusă de Kew și care implică 138 de organizații la nivel internațional, a fost construită pe baza de 15 ori mai multe date decât oricare alta. studii comparabile ale plantelor cu flori arborele vieții. Dintre speciile secvențiate pentru acest studiu, peste 800 nu au avut niciodată secvențierea ADN-ului înainte.

Vantitatea mare de date deblocată de această cercetare, care ar dura 18 ani pentru procesarea unui singur computer, este uriașă. pași către construirea unui copac al vieții pentru toate cele 330.000 de specii cunoscute de plante cu flori — o întreprindere masivă a Inițiativei Arborele Vieții a lui Kew.

Dr. Alexandre Zuntini, cercetător la RBG Kew, spune: „Analiza acestei cantități fără precedent de date pentru a decoda informațiile ascunse în milioane de secvențe ADN a fost o provocare uriașă. Dar a oferit și oportunitatea unică de a reevalua și extinde cunoștințele noastre despre arborele plantei. al vieții, deschizând o nouă fereastră pentru a explora complexitatea evoluției plantelor.”

Deblocarea exemplarelor istorice de herbar pentru cercetări de ultimă oră

Arborele vieții cu flori cu plante, la fel ca al nostru arborele genealogic, ne permite să înțelegem modul în care diferitele specii sunt legate între ele. Arborele vieții este descoperit prin compararea secvențelor de ADN între diferite specii pentru a identifica modificări (mutații) care se acumulează în timp, ca o înregistrare fosilică moleculară.

Înțelegerea noastră despre arborele vieții se îmbunătățește rapid în tandem cu progresele. în tehnologia de secvențiere a ADN-ului. Pentru acest studiu, au fost dezvoltate noi tehnici genomice pentru a captura magnetic sute de gene și sute de mii de litere de cod genetic din fiecare probă, ordine de mărime mai mult decât metodele anterioare.

Un avantaj cheie al abordării echipei. este că permite secvențierea unei diversități largi de material vegetal, vechi și nou, chiar și atunci când ADN-ul este grav deteriorat. Vastele comori de material vegetal uscat din colecțiile de erbari din lume, care cuprind aproape 400 de milioane de exemplare științifice de plante, pot fi acum studiate genetic.

Folosind astfel de exemplare, echipa a secvențiat cu succes un specimen de nisip (Arenaria). globiflora) colectate în urmă cu aproape 200 de ani în Nepal și, în ciuda calității proaste a ADN-ului său, au reușit să-l plaseze în arborele vieții.

Echipa a analizat chiar și plante dispărute, cum ar fi măslinul de pe insula Guadalupe. (Hesperelaea palmeri), care nu a mai fost văzută în viață din 1875. De fapt, 511 dintre speciile secvențiate sunt deja în pericol de dispariție, conform Listei Roșii IUCN, inclusiv alte trei ca Hesperelaea care sunt deja dispărute.

Profesorul William Baker, Senior Research Leader–Tree of Life, spune: „În multe feluri, această abordare nouă ne-a permis să colaborăm cu botaniștii din trecut, exploatând bogăția de date păstrate în specimene istorice de erbari, unele dintre care au fost adunate încă de la începutul secolului al XIX-lea.

„Iluștrii noștri predecesori, cum ar fi Charles Darwin sau Joseph Hooker, nu ar fi putut anticipa cât de importante ar fi aceste specimene în cercetarea genomică astăzi. ADN-ul nici nu a fost descoperit în timpul vieții lor!

" Munca noastră arată cât de importante sunt aceste muzee botanice incredibile pentru studiile inovatoare ale vieții de pe Pământ. Cine știe ce alte oportunități științifice nedescoperite se află în ele?"

Din toate cele 9.506 de specii secvențiate, peste 3.400 au provenit din material provenit din 163 de plante herbare din 48 de țări. Material suplimentar din colecții de plante din întreaga lume (de ex., Băncile de ADN, semințe, colecții vii) au fost vitale pentru a umple golurile cheie în cunoștințe pentru a arunca o nouă lumină asupra istoriei evoluției plantelor cu flori. viitoare cercetări genomice.

Numai plantele cu flori reprezintă aproximativ 90% din toată viața vegetală cunoscută pe uscat și se găsesc practic peste tot pe planetă – de la cele mai aburinde tropice până la aflorimentele stâncoase din Peninsula Antarctică , înțelegerea noastră a modului în care aceste plante au ajuns să domine scena la scurt timp după originea lor i-a derutat pe oamenii de știință timp de generații, inclusiv pe Charles Darwin.

Plantele cu flori au apărut acum mai bine de 140 de milioane de ani, după care au depășit rapid alte plante vasculare. inclusiv rudele lor vii cele mai apropiate – gimnospermele (plante fără flori care au semințe goale, cum ar fi cicadele, coniferele și ginkgo).

Darwin a fost nedumerit de apariția aparent bruscă a unei astfel de diversitate în înregistrarea fosilelor. . Într-o scrisoare din 1879 către Joseph Dalton Hooker, apropiatul său confident și director al RBG Kew, el a scris: „Dezvoltarea rapidă, din câte putem judeca, a tuturor plantelor superioare din vremurile geologice recente este un mister abominabil.”

Folosind 200 de fosile, autorii și-au scalat arborele vieții în timp, dezvăluind modul în care plantele cu flori au evoluat de-a lungul timpului geologic. Ei au descoperit că plantele cu flori timpurii au explodat într-adevăr în diversitate, dând naștere la mai mult de 80% din liniile majore care există astăzi la scurt timp după originea lor.

Cu toate acestea, această tendință a scăzut apoi la o rată mai constantă pentru următorii 100 de milioane de ani până la o nouă creștere a diversificării cu aproximativ 40 de milioane de ani în urmă, care coincide cu o scădere globală a temperaturilor. Aceste noi perspective l-ar fi fascinat pe Darwin și îi vor ajuta cu siguranță pe oamenii de știință de astăzi să se confrunte cu provocările de a înțelege cum și de ce speciile se diversifică.

O colaborare cu adevărat globală

Asamblarea unui arbore al vieții atât de extins. ar fi fost imposibil fără ca oamenii de știință de la Kew să colaboreze cu mulți parteneri de pe tot globul. În total, 279 de autori au fost implicați în cercetare, reprezentând multe naționalități diferite din 138 de organizații din 27 de țări. Printre aceștia se numără consorțiul Genomics for Australian Plants (GAP), care au adoptat timpurii tehnicile echipei și care au lucrat în strânsă colaborare cu Kew pentru a maximiza numărul de specii de plante australiene din copac.

Colaboratorii internaționali au împărtășit, de asemenea, expertiza lor botanică unică, precum și multe mostre de plante prețioase din întreaga lume care nu ar putea fi obținute fără ajutorul lor. Natura cuprinzătoare a copacului este în mare măsură rezultatul acestui parteneriat minunat.

Dr. Mabel Lum, Manager de Program la Bioplatforms Australia și de la consorțiul GAP, spune: „Suntem mândri să fim un partener și colaborator major în efortul RBG Kew de a construi infrastructură globală de cercetare pentru a progresa înțelegerea noastră despre arborele vieții plantelor cu flori. Această colaborare fructuoasă. ne-am subliniat angajamentul de a promova inovarea și colaborarea în cercetarea științifică, oferind o rampă de lansare pentru descoperirile viitoare care ne vor ajuta să ne modelăm înțelegerea despre lumea naturală pentru generațiile viitoare.”

Punerea în valoare a arborelui vieții.

Arborele vieții cu plante cu flori are un potențial enorm în cercetarea biodiversității. Acest lucru se datorează faptului că, așa cum se poate prezice proprietățile unui element pe baza poziției sale în tabelul periodic, locația unei specii în arborele vieții ne permite să prezicem proprietățile sale. Noile date vor fi astfel de neprețuit pentru îmbunătățirea multor domenii ale științei și nu numai.

Pentru a permite acest lucru, arborele și toate datele care îl stau la baza au fost făcute deschis și liber accesibile atât publicului, cât și științific. comunitate, inclusiv prin Kew Tree of Life Explorer. Autorii studiului cred că un astfel de acces deschis este cheia pentru democratizarea accesului la datele științifice pe tot globul.

Accesul deschis îi va ajuta, de asemenea, pe oamenii de știință să folosească cât mai bine datele, cum ar fi combinarea lor cu inteligența artificială pentru a prezice care specii de plante pot include molecule cu potenţial medicinal. În mod similar, arborele vieții poate fi folosit pentru a înțelege mai bine și a prezice modul în care dăunătorii și bolile vor afecta plantele din Regatul Unit în viitor. În cele din urmă, observă autorii, aplicațiile acestor date vor fi conduse de ingeniozitatea oamenilor de știință care le accesează.

Dr. Melanie-Jayne Howes, lider senior de cercetare la RBG Kew, care nu a fost un autor al studiului, dar va folosi datele în cercetarea ei, spune: „Substanțele chimice din plante au inspirat multe medicamente farmaceutice, dar au încă un potențial mare neexploatat pentru a ajuta viitorul. Descoperirea medicamentelor Provocarea este să știm care să investighezi științific în căutarea de noi medicamente din aproximativ 330.000 de specii de plante cu flori.

„La Kew aplicăm IA pentru a prezice care specii de plante conțin substanțe chimice. potenţial pentru malarie. Disponibilitatea acestui vast nou set de date oferă oportunități interesante de a îmbunătăți aceste predicții și, prin urmare, de a accelera descoperirea de medicamente din plante pentru malarie și alte boli.”

Specie remarcabilă în arborele vieții cu plante cu flori

(Fluierul)