由包括密西根大學三名生物學家在內的279 名科學家組成的國際團隊最近在《自然》雜誌上發表的一項研究，提供了有關開花植物生命樹的最新見解。這項成果使用了來自9500 多個物種的18 億個遺傳密碼，涵蓋近8000 個已知有花植物屬（約佔60%），為有花植物的進化史及其在地球上崛起為生態主導提供了新的視角。

在邱園皇家植物園科學家的領導下，研究小組相信這些數據將有助於今後識別新物種、完善植物分類、發現新的藥用化合物，以及在氣候變遷和生物多樣性喪失的情況下保護植物。

這項植物科學領域的重大里程碑研究涉及138 個國際組織，其所依據的資料量是對有花植物生命樹進行的同類研究的15 倍。在為這項研究進行定序的物種中，有800 多個物種的DNA以前從未被定序過。

這項研究揭示的數據量之大，需要一台計算機花費18 年的時間才能處理完畢，這是邱園”生命之樹計劃“在為所有33 萬種已知有花植物建立生命之樹方面邁出的一大步。

“分析這一前所未有的數據量，解碼隱藏在數百萬DNA 序列中的信息，是一項巨大的挑戰。但這也為我們重新評估和擴展對植物生命樹的認識提供了一個獨特的機會，為探索植物演化的複雜性打開了一扇新窗口，」邱園皇家植物園研究員亞歷山大-尊蒂尼（Alexandre Zuntini）說。

麻薩諸塞大學演化生物學家史蒂芬‧史密斯（Stephen Smith）實驗室的博士後研究員湯姆-卡魯瑟（Tom Carruthers）是這項研究的共同第一作者，他與尊蒂尼曾在邱園共事。馬薩諸塞大學植物系統學家理查德-拉貝勒（Richard Rabeler）是這項研究的共同作者。

被子植物生命之樹。資料來源：RBG Kew

“每當我們走進森林，開花植物都會為我們提供食物、衣物和問候。一個多世紀以來，構建開花植物生命樹一直是進化生物學領域的重大挑戰和目標，”這項研究的共同作者、麻省理工大學生態學與演化生物學系教授史密斯說。 “這個計畫為大多數有花植物屬提供了一個龐大的數據集，為完成這一目標提供了一種策略，從而使我們離這一目標更近了一步。”

史密斯在該項目中扮演了兩個角色。首先，他的實驗室成員–包括麻省理工大學前研究生德魯-拉爾森（Drew Larson）–前往邱園，幫助對一個名為”Ericales”的大型多樣性植物群的成員進行測序，該植物群包括藍莓、茶、杜鵑花、杜鵑花和巴西堅果。

其次，史密斯與邱園皇家植物園的威廉-貝克（William Baker）和費利克斯-弗雷斯特（Felix Forest）以及奧胡斯大學的沃爾夫-艾森哈特（Wolf Eisenhardt）共同監督了項目資料集的分析與建構。

“研究小組面臨的最大挑戰之一是許多基因區域所蘊含的意想不到的複雜性，在這些區域中，不同的基因講述著不同的進化史。團隊面臨的最大挑戰之一是許多基因區域所蘊含的意想不到的複雜性，不同的基因講述著不同的演化歷史。

身為這項研究的共同負責人，卡魯瑟的主要職責包括利用200 塊化石將演化樹按時間縮放，分析整體演化樹基礎基因的不同演化史，以及估算不同開花植物系在不同時期的多樣化率。

卡魯瑟說：”基於如此多的基因，為有花植物構建如此龐大的生命樹，揭示了這一特殊群體的進化史，幫助我們了解它們是如何成為世界上如此不可或缺的主要組成部分的。

開花植物的生命樹就像我們的家譜一樣，能讓我們了解不同物種之間的關係。生命樹是透過比較不同物種之間的DNA 序列來發現變化（突變）的，這些變化隨著時間的推移而不斷累積，就像分子化石記錄一樣。

隨著DNA 定序技術的進步，我們對生命之樹的了解也迅速加深。在這項研究中，我們開發了新的基因組技術，透過磁力從每個樣本中捕捉數百個基因和數十萬個遺傳密碼，比早期的方法多出幾個數量級。

Arenaria globilfora.資料來源：RBG Kew

研究小組的方法的一個主要優點是，它能對多種多樣的新舊植物材料進行定序，即使DNA受到嚴重破壞也不例外。世界標本館收藏了近4 億份植物科學標本，其中有大量的乾燥植物材料，現在可以對它們進行基因研究了。

邱園生命之樹計畫的高級研究負責人貝克說：”從很多方面來說，這種新穎的方法使我們能夠與過去的植物學家合作，利用歷史標本館標本中的大量數據，其中一些標本早在19世紀初就被收集起來了。沒有被發現。

在所有9506 個定序物種中，有3 400 多個來自48 個國家163 個標本館的材料。

麻州大學榮譽研究科學家、麻州大學標本館前館長拉貝勒說：「為研究植物關係而對標本館標本進行採樣，使得從世界不同地區進行廣泛採樣的可行性大大提高，而不需要長途跋涉從野外獲取新鮮材料。

在生命之樹計畫中，拉貝勒幫助核實了標本館採樣標本的身份，並對所得數據進行了分析。光是開花植物就佔陸地上所有已知植物生命的90%，幾乎遍布地球的每個角落–從最濕潤的熱帶到南極半島的岩石露頭。然而，我們對這些植物是如何在起源後不久就佔據了主導地位的理解，卻困惑了包括達爾文在內的幾代科學家。

開花植物起源於1.4 億多年前，之後迅速取代了其他維管植物，包括它們的近親–裸子植物（有裸露種子的非開花植物，如蘇鐵、針葉樹和銀杏）。

達爾文對化石記錄中看似突然出現的這種多樣性感到神秘。在1879 年寫給他的密友、邱園皇家植物園園長胡克的信中，他寫道：”據我們判斷，所有高等植物都是在最近的地質年代迅速發展起來的，這是一個令人憎惡的謎。

作者利用200 塊化石，將他們的生命樹按時間順序排列，揭示了開花植物是如何跨越地質年代進化的。他們發現，早期有花植物的多樣性確實出現了爆炸性增長，在其起源後不久就產生了今天存在的80%以上的主要品系。

然而，在接下來的1 億年裡，這一趨勢逐漸趨於平穩，直到大約4,000 萬年前，隨著全球氣溫的下降，物種多樣性再次激增。這些新的洞察力會讓達爾文著迷，也必將幫助今天的科學家們努力應對了解物種如何以及為何多樣化的挑戰。

如果沒有邱園科學家與全球眾多合作夥伴的通力合作，就不可能形成如此龐大的生命之樹。總共有279 位作者參與了這項研究，他們來自27 個國家的138 ​​個組織，代表著不同的國籍。

「植物界長期以來一直在合作和協調分子測序工作，以產生更全面、更強大的植物生命樹。」馬薩諸塞大學的史密斯說：」發表這篇論文的努力延續了這一傳統，但規模卻大大擴大了。

開花植物生命樹在生物多樣性研究方面具有巨大潛力。這是因為，正如人們可以根據元素在元素週期表中的位置來預測其特性一樣，我們也可以根據物種在生命樹中的位置來預測其特性。因此，這些新數據對於促進科學及其他許多領域的發展將是非常寶貴的。

為實現這一目標，生命之樹及其基礎資料已透過邱園生命之樹資源管理器（Kew Tree of Life Explorer）等管道向公眾和科學界公開和免費開放。開放存取將有助於科學家充分利用這些數據，例如將其與人工智慧結合，預測哪些植物物種可能含有具有藥用潛力的分子。同樣，生命之樹也可用於更好地了解和預測病蟲害在未來將如何影響植物。作者指出，這些數據的應用最終將取決於獲取數據的科學家的聰明才智。

編譯來源：ScitechDaily