Биологи построили революционное древо жизни, используя 1,8 миллиарда букв генетического кода

 

Новое исследование 279 ученых под руководством Королевского ботанического сада Кью обновило наше понимание древа жизни цветковых растений путем анализа генетических данных более чем 9500 видов. Это исследование, включающее международное сотрудничество и значительные технологические достижения, дает важную информацию для классификации, сохранения и открытия лекарственных растений. Результаты находятся в свободном доступе, что обещает расширить будущие ботанические исследования и применения. (Фото: scitechdaily.com)

Ученые построили революционное древо жизни, используя 1,8 миллиарда букв генетического кода.

Недавнее исследование, опубликованное в журнале Nature международной командой из 279 ученых, включая трех биологов из Мичиганского университета, дает новейшее представление о древе жизни цветковых растений.

Используя 1,8 миллиарда букв генетического кода более чем 9500 видов, охватывающих почти 8000 известных родов цветковых растений (около 60%), это достижение проливает новый свет на историю эволюции цветковых растений и их восхождение к экологическому доминированию на Земле.

Исследовательская группа, возглавляемая учеными из Королевского ботанического сада Кью, полагает, что эти данные помогут будущим попыткам идентифицировать новые виды, уточнить классификацию растений, открыть новые лекарственные соединения и сохранить растения перед лицом изменения климата и утраты биоразнообразия.

Основная веха в развитии науки о растениях, в которой приняли участие 138 организаций со всего мира, была основана на в 15 раз большем количестве данных, чем любые сопоставимые исследования древа жизни цветковых растений. Среди видов, секвенированных для этого исследования, более 800 видов никогда раньше не секвенировали ДНК.

Технологические проблемы и решения

Огромный объем данных, полученных в результате этого исследования, на обработку которого одному компьютеру потребовалось бы 18 лет, является огромным шагом на пути к созданию древа жизни для всех 330 000 известных видов цветковых растений – масштабного проекта инициативы Кью «Древо жизни».

«Анализ этого беспрецедентного количества данных для расшифровки информации, скрытой в миллионах последовательностей ДНК, был огромной проблемой. Но это также дало уникальную возможность переоценить и расширить наши знания о древе жизни растений, открыв новое окно для изучения сложности эволюции растений», — сказал Александр Зунтини, научный сотрудник Королевского ботанического сада Кью.

Том Каррутерс, научный сотрудник лаборатории биолога-эволюциониста Стивена Смита из Университета штата Массачусетс, является соавтором исследования вместе с Зунтини, с которым он ранее работал в Кью. Соавтор - систематик растений UM Рихард Рабелер.

Покрытосеменные Древо Жизни. (Фото: scitechdaily.com)

«Цветущие растения кормят, одевают и приветствуют нас, когда мы идем в лес. Создание древа жизни цветущего растения было серьезной задачей и целью в области эволюционной биологии на протяжении более столетия», — сказал Смит, соавтор исследования и профессор кафедры экологии и эволюционной биологии Университета штата Мэриленд. «Этот проект приближает нас к этой цели, предоставляя огромный набор данных для большинства родов цветковых растений и предлагая одну стратегию для достижения этой цели».

У Смита было две роли в проекте. Сначала члены его лаборатории, в том числе бывший аспирант UM Дрю Ларсон, отправились в Кью, чтобы помочь секвенировать представителей большой и разнообразной группы растений под названием Ericales, в которую входят черника, чай, черное дерево, азалии, рододендроны и бразильские орехи.

Во-вторых, Смит руководил анализом и созданием набора данных проекта вместе с Уильямом Бейкером и Феликсом Форестом из Королевского ботанического сада Кью и Вольфом Эйзенхардтом из Орхусского университета.

«Одной из самых больших проблем, с которыми столкнулась команда, была неожиданная сложность, лежащая в основе многих областей генов, где разные гены рассказывают разные эволюционные истории. Необходимо было разработать процедуры для изучения этих закономерностей в масштабах, которые раньше не делались», — сказал Смит, который также является директором программы по биологии и младшим куратором по информатике биоразнообразия в Гербарии UM.

Новый взгляд на эволюцию

В качестве соруководителя исследования основные обязанности Каррутерса включали масштабирование эволюционного древа во времени с использованием 200 окаменелостей, анализ различных эволюционных историй генов, лежащих в основе общего эволюционного древа, и оценку темпов диверсификации различных линий цветковых растений в разное время. .

«Построение такого большого древа жизни цветковых растений, основанного на таком большом количестве генов, проливает свет на историю эволюции этой особой группы, помогая нам понять, как они стали такой неотъемлемой и доминирующей частью мира», — Каррутерс сказал. «Представленные эволюционные взаимосвязи — и лежащие в их основе данные — дадут важную основу для многих будущих исследований».

Древо жизни цветущих растений, во многом похожее на наше генеалогическое древо, позволяет нам понять, как разные виды связаны друг с другом. Древо жизни раскрывается путем сравнения последовательностей ДНК разных видов с целью выявления изменений (мутаций), которые накапливаются с течением времени, как молекулярная летопись окаменелостей.

Наше понимание древа жизни быстро улучшается вместе с достижениями в технологии секвенирования ДНК. Для этого исследования были разработаны новые геномные методы, позволяющие магнитно захватывать сотни генов и сотни тысяч букв генетического кода из каждого образца, что на порядки больше, чем предыдущие методы.

Аренария глобилфора. (Фото: scitechdaily.com)

Ключевое преимущество подхода команды заключается в том, что он позволяет секвенировать широкий спектр растительного материала, старого и нового, даже если ДНК сильно повреждена. Огромные сокровищницы высушенного растительного материала в мировых коллекциях гербариев, которые насчитывают почти 400 миллионов научных образцов растений, теперь можно изучать генетически.

«Во многих отношениях этот новый подход позволил нам сотрудничать с ботаниками прошлого, используя богатство данных, хранящихся в исторических образцах гербария, некоторые из которых были собраны еще в начале 19 века», — сказал Бейкер. , старший научный руководитель инициативы Кью «Древо жизни».

«Наши выдающиеся предшественники, такие как Чарльз Дарвин или Джозеф Хукер, не могли предвидеть, насколько важны эти образцы в геномных исследованиях сегодня. ДНК даже не была обнаружена при их жизни. Наша работа показывает, насколько важны эти невероятные ботанические музеи для новаторских исследований жизни на Земле. Кто знает, какие еще неизведанные научные возможности таятся в них?»

Из всех 9506 секвенированных видов более 3400 были получены из материала, полученного из 163 гербариев в 48 странах.

«Отбор образцов гербария для изучения взаимосвязей между растениями делает широкую выборку из различных уголков мира гораздо более осуществимой, чем если бы вам приходилось путешествовать, чтобы получить свежий материал с поля», — сказал Рабелер из UM, почетный ученый-исследователь и бывший коллекционер. менеджер Гербария УМ.

В рамках проекта «Древо жизни» Рабелер помог проверить идентичность образцов гербария, отобранных для отбора проб, и проанализировал полученные данные.

Одни только цветковые растения составляют около 90% всей известной растительной жизни на суше и встречаются практически повсюду на планете — от самых жарких тропиков до скалистых обнажений Антарктического полуострова. И все же наше понимание того, как эти растения стали доминировать на сцене вскоре после их происхождения, на протяжении нескольких поколений сбивало с толку ученых, включая Дарвина.

Цветковые растения возникли более 140 миллионов лет назад, после чего они быстро вытеснили другие сосудистые растения, в том числе своих ближайших ныне живущих родственников — голосеменные (нецветковые растения с голыми семенами, такие как саговники, хвойные деревья и гинкго).

Дарвин был озадачен, казалось бы, внезапным появлением такого разнообразия в летописи окаменелостей. В письме 1879 года Хукеру, своему близкому доверенному лицу и директору Королевского ботанического сада Кью, он писал: «Быстрое развитие, насколько мы можем судить, всех высших растений в последние геологические времена является отвратительной загадкой».

Используя 200 окаменелостей, авторы масштабировали свое древо жизни во времени, показывая, как цветковые растения развивались в геологическом времени. Они обнаружили, что раннецветущие растения действительно поразили разнообразие, дав начало более 80% основных линий, существующих сегодня, вскоре после их возникновения.

Однако затем эта тенденция снизилась и стала более устойчивой в течение следующих 100 миллионов лет, пока около 40 миллионов лет назад не произошел новый всплеск диверсификации, совпавший с глобальным снижением температуры. Эти новые открытия очаровали бы Дарвина и, несомненно, помогут сегодняшним учёным, пытающимся понять, как и почему виды диверсифицируются.

Глобальное сотрудничество и открытый доступ

Создание столь обширного древа жизни было бы невозможно без сотрудничества ученых Кью со многими партнерами по всему миру. Всего в исследовании приняли участие 279 авторов, представляющих разные национальности, из 138 организаций в 27 странах.

«Растительное сообщество имеет долгую историю сотрудничества и координации молекулярного секвенирования для создания более полного и надежного древа жизни растений. Усилия, которые привели к созданию этой статьи, продолжают эту традицию, но значительно расширяются», — сказал Смит из UM.

Цветущее растение «Древо жизни» имеет огромный потенциал в исследованиях биоразнообразия. Это потому, что точно так же, как можно предсказать свойства элемента на основе его положения в таблице Менделеева, расположение вида на древе жизни позволяет нам предсказать его свойства. Таким образом, новые данные будут иметь неоценимое значение для развития многих областей науки и за ее пределами.

Чтобы сделать это возможным, дерево и все данные, лежащие в его основе, были открыты и свободно доступны как для общественности, так и для научного сообщества, в том числе через Kew Tree of Life Explorer.

Открытый доступ поможет ученым наилучшим образом использовать данные, например, объединив их с искусственным интеллектом, чтобы предсказать, какие виды растений могут содержать молекулы с лечебным потенциалом.

Точно так же дерево жизни можно использовать, чтобы лучше понять и предсказать, как вредители и болезни будут влиять на растения в будущем. В конечном итоге, отмечают авторы, применение этих данных будет зависеть от изобретательности ученых, имеющих к ним доступ.

Ссылка: «Филогеномика и возникновение покрытосеменных растений» Александра Р. Зунтини, Тома Каррутерса, Оливье Морена, Пола К. Бэйли, Кевина Лимпола, Грейс Э. Брюэр, Нирошини Эпитавалаге, Элейн Франсосо, Берты Гальего-Парамо, Кэтрин МакГинни, Ракель Негран, Шьямали Р. Рой, Лалита Симпсон, Эдуардо Толедо Ромеро, Ванесса М.А. Барбер, Лаура Ботиге, Джеймс Дж. Кларксон, Робин С. Коуэн, Стивен Додсворт, Мэттью Дж. Джонсон, Ян Т. Ким, Лиза Покорни, Норман Дж. Уикетт, Гильерме М. Антар, Люсинда ДеБолт, Кариме Гутьеррес, Каспер П. Хендрикс, Алина Ховенер, Ай-Кун Ху, Элизабет М. Джойс, Изай А.Б.С. Кикучи, Изабель Ларридон, Дрю А. Ларсон, Элтон Джон де Лирио, Цзин. -Ся Лю, Панайота Малакаси, Наталья А. С. Пшеломска, Торал Шах, Хуан Вируэль, Теодор Р. Оллнатт, Габриэль К. Амека, Роуз Л. Эндрю, Марк С. Аппельханс, Монтсеррат Ариста, Мария Хесус Ариса, Хуан Арройо, Ватчара Артан, Жюльен Б. Башелье, К. Донован Бэйли, Хелен Ф. Барнс, Мэтью Д. Барретт, Рассел Л. Барретт, Рэндалл Дж. Байер, Майкл Дж. Бэйли, Эд Биффин, Ники Биггс, Джоэнн Л. Берч, Диего Богарин, Рената Боросова, Александр М.С. Боулз, Питер С. Бойс, Джемма Л.С. Брэмли, Мари Бриггс, Линда Бродхерст, Джиллиан К. Браун, Джереми Дж. Брюль, Энн Брюно, Свен Буерки, Эди Бернс, Маргарет Бирн, Стюарт Кейбл, Эйнсли Калладайн, Мартин В. Каллмандер, Анжела Кано, Дэвид Дж. Кантрилл, Уоррен М. Кардинал-МакТиг, Моника М. Карлсен, Эбигейл Дж. А. Каррутерс, Алехандра де Кастро Матео, Марк В. Чейз, Ларс В. Чатру, Мартин Чик, Шилин Чен, Маартен Дж. М. Кристенхуш, Паскаль-Антуан Кристин, Марк А. Клементс, Скай С. Коффи, Джон Г. Конран, Ксавьер Корнехо, Томас Л. П. Куврер, Ян Д. Коуи, Ласло Чиба, Иэн Дарбишир, Геррит Дэвидс, Нина М. Дж. Дэвис, Аарон П. Дэвис, Корджент ван Дейк, Стивен Р. Дауни, Марко Ф. Дуретто, Мелвин Р. Дюваль, Сара Л. Эдвардс, Урс Эггли, Рой Х. Дж. Эркенс, Марсиаль Эскудеро, Мануэль де ла Эстрелья, Федерико Фабриани, Майкл Ф. Фэй, Паола де Л. Феррейра, Сара З. Фичински, Рэйчел М. Фаулер, Сью Фрисби, Лин Фу, Тим Фулчер, Мерсе Гальбани-Казалс, Эллиот М. Гарднер, Дмитрий А. Герман, Аугусто Джаретта, Марк Гибернау, Линн Дж. Гиллеспи, Синтия С. Гонсалес, Дэвид Дж. Гойдер, Шон В. Грэм, Орели Гралл, Лора Грин, Би Ф. Ганн, Диего Г. Гутьеррес, Ян Хакел, Томас Хеверманс, Анна Хэй, Джоселин С. Холл, Тони Холл. , Мелисса Дж. Харрисон, Себастьян А. Хатт, Ориан Идальго, Тревор Р. Ходкинсон, Гарет Д. Холмс, Хелен К. Ф. Хопкинс, Кристофер Дж. Джексон, Шелли А. Джеймс, Ричард В. Джобсон, Гудрун Кадерейт, Ималка М. Кахандавала , Кент Кайнулайнен, Масахиро Като, Элизабет А. Келлог, Грэм Дж. Кинг, Беата Клеевская, Бенте Б. Клитгаард, Ронелл Р. Клоппер, Сандра Кнапп, Маркус А. Кох, Джеймс Х. Либенс-Мак, Фредерик Ленс, Кристин Дж. Леон, Этьен Левей-Бурре, Гвилим П. Льюис, Де-Жу Ли, Лан Ли, Сигрид Лиде-Шуман, Татьяна Лившульц, Дэвид Лоренс, Мэн Лу, Патриция Лу-Ирвинг, Жаклини Любер, Ив Дж. Лукас, Мануэль Лухан. , Мэйбл Лам, Терри Д. Макфарлейн, Карлос Магдалена, Видал Ф. Мансано, Лизо Э. Мастерс, Саймон Дж. Мэйо, Кристина МакКолл, Анджела Дж. МакДоннелл, Эндрю Э. МакДугалл, Тодд Дж. Б. МакЛэй, Ханна Макферсон, Роза И. Менесес, Винсент С.Ф.Т. Меркс, Фабиан А. Микеланджели, Джон Д. Митчелл, Александр К. Монро, Майкл Дж. Мур, Тэрин Л. Мюллер, Клаус Мамменхофф, Жером Мюнзингер, Присцилла Мюриэль, Дэниел Дж. Мерфи, Катарина Наргар, Ларс Наухаймер , Фрэнсис Дж. Нге, Рето Ниффелер, Андрес Орехуэла, Эдгардо М. Ортис, Луис Палаццези, Ариана Луна Пейшото, Сьюзан К. Пелл, Жауме Пеллисер, Дарин С. Пеннис, Оскар А. Перес-Эскобар, Клаас Перссон, Марк Пиньяль, Йохан Пиллон, Хосе Р. Пирани, Грегори М. Планкетт, Робин Ф. Пауэлл, Дж.Хиллин Т. Пранс, Кармен Пуглиси, Мин Цинь, Ричард К. Рабелер, Пол Э. Дж. Рис, Мэттью Реннер, Эрик Х. Роалсон, Мишель Родда, Закари С. Роджерс, Саба Рокни, Рольф Рутисхаузер, Мигель Ф. де Салас, Ханно Шефер , Роуэн Дж. Шли, Александр Шмидт-Лебун, Элисон Шапкотт, Ихсан Аль-Шехбаз, Келли А. Шепард, Марк П. Симмонс, Эндрю О. Симмонс, Ана Рита Дж. Симмонс, Мишель Сирос, Эрик С. Смидт, Джеймс Ф. Телфорд, Эндрю Х. Торнхилл, Ифеанна Тут, Анна Триас-Блази, Фрэнк Удовичич, Тимоти М. Аттеридж, Хосе К. Дель Валле, Г. Энтони Вербум, Хелен П. Вонов, Мария С. Воронцова, Джурриан М. де Вос, Нур Аль-Ваттар, Мишель Уэйкотт, Кассиано А.Д. Велкер, Адам Дж. Уайт, Ян Дж. Виринга, Луис Т. Уильямсон, Тревор С. Уилсон, Син Йенг Вонг, Лиза А. Вудс, Розина Вудс, Стюарт Уорбойс, Мартин Ксантос, Я Ян, Ю-Сяо Чжан, Мэн-Юань Чжоу, Сью Змажти, Фернандо О. Сулоага, Александр Антонелли, Сидони Белло, Даррен М. Крейн, Олуэн М. Грейс, Пол Дж. Керси, Илия Дж. Лейтч, Эрве Соке, Стивен А. Смит, Вольф Л. Эйзерхардт, Феликс Форест и Уильям Дж. Бейкер, 24 апреля 2024 г., Nature.

DOI: 10.1038/s41586-024-07324-0

Источник