一个开创性的项目绘制了超过9500种开花植物的DNA图谱

一个开创性的项目绘制了超过9500种开花植物的DNA图谱 来自英国皇家植物园邱园的科学家与中国科学院昆明植物研究所（KIB）以及全球各地的合作者最近共同完成了一项庞大的 DNA 生命树研究，公开了 9500 多种有花植物的 DNA 序列，这一宝贵的资源让我们能够回答有关现代植物生命的关键问题，并回溯其起源。他们的研究最近发表在《自然》杂志上。这种方法的一个主要优点是，它可以用于对各种新旧植物材料进行测序，即使是在 DNA 受到严重破坏的情况下。世界标本馆收藏的大量干燥植物材料，包括近 4 亿份科学植物标本，现在都可以进行基因研究。被子植物生命之树。资料来源：RBG Kew利用这些标本，研究人员对近 200 年前在尼泊尔采集的沙草标本（Arenaria globiflora）进行了测序，尽管其 DNA 质量很差，但还是将其放入了生命树中。他们甚至分析了已经灭绝的植物，例如Hesperelaea palmeri，这种植物自 1875 年以来就没有活体出现过。事实上，根据《国际自然保护联盟红色名录》，被测序的物种中有 511 种已经濒临灭绝，其中还有三种像Hesperelaea一样已经灭绝。本研究测序的 9506 个物种中，有 3400 多个来自 48 个国家 163 个标本馆的材料，其他材料来自世界各地的植物收藏（如 DNA 库、种子和活体收藏）。在被测序的物种中，有 800 多个物种的 DNA 以前从未被测序过。这种测序对于填补重要的知识空白和揭示开花植物的进化史至关重要。研究人员还得益于 1900 多个物种的公开数据，凸显了开放科学方法对未来基因组研究的价值。尽管核基因组和质粒基因组的生物特性（如大小、拷贝数、遗传方式、重组和进化速度）截然不同，可能导致系统发生树相互矛盾，但研究结果在很大程度上支持了被子植物系统发生第四组主要基于质粒的系统发生分类。例如，64 个目前公认的目中有 58 个和 416 个科中有 406 个被恢复为单系（不包括人工制品）。本作品（左）与 APG IV 图示树（右）之间的序级切分图。资料来源：KIB最显著的例外是菊科（最大的被子植物科，包括向日葵及其近缘植物）的非单系性。这项研究生成的系统树还证实了 KIB 科学家利用质粒进行的被子植物系统树所发现的 85% 的科间关系。开花植物起源于 1.4 亿多年前，之后迅速取代了其他维管植物。达尔文对化石记录中似乎突然出现的这种多样性感到困惑，他写道："据我们判断，所有高等植物都是在最近的地质年代中迅速发展起来的，这是一个令人憎恶的谜"。研究人员利用 200 块化石，追溯生命之树的历史，展示开花植物在地质年代中的进化过程。他们发现，正如达尔文所指出的那样，早期的开花植物确实呈现出爆炸性的多样性。这些植物在起源后不久就迅速发展，形成了今天主要品系中的 80% 以上。然而，在接下来的 1 亿年里，这一趋势逐渐趋于稳定，直到大约 4000 万年前，随着全球气温的下降，植物的多样性再次激增。这些新发现会让达尔文着迷，也必将帮助今天的科学家应对挑战，了解物种如何以及为什么会多样化。开花植物生命树在生物多样性研究方面潜力巨大。这是因为，正如人们可以根据元素在元素周期表中的位置来预测其特性一样，我们也可以根据物种在生命树中的位置来预测其特性。因此，新数据对于改进科学及其他领域的许多工作都将是非常宝贵的。为了实现这一目标，这棵树及其所有基础数据都通过邱园生命之树资源管理器（Kew Tree of Life Explorer）等渠道向公众和科学界公开和免费提供。研究人员认为，这种开放式访问是实现全球科学数据访问民主化的关键。开放存取还有助于科学家充分利用这些数据，例如将其与人工智能相结合，预测哪些植物物种可能含有具有药用潜力的分子。同样，生命之树也可用于更好地了解和预测病虫害在未来将如何影响植物。研究人员指出，这些数据的应用最终将取决于获取这些数据的科学家的聪明才智。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

《.植物生物学 》

《.植物生物学 》 简介：研究植物的结构、功能、生长发育规律及其与环境互动的学科，涵盖光合作用、代谢机制、遗传进化等领域。通过生态学、分子生物学等技术手段，解析植物适应机制，并为农业育种、生态修复及生物能源开发提供理论支撑。 亮点：融合基础研究与前沿技术，揭示植物生命本质；在解决粮食安全、气候变化等全球性问题中发挥关键作用，同时推动基因编辑与合成生物学等创新应用。 标签：#生命科学 #光合作用 #基因编辑 #农业生态 #可持续发展 链接：

生物学家通过珊瑚追查海洋生物发光的古老起源

生物学家通过珊瑚追查海洋生物发光的古老起源 生物发光生物通过化学反应产生光的能力在自然界中已经独立进化了至少94次，并参与了包括伪装、求偶、交流和狩猎在内的大量行为。到目前为止，最早的动物生物发光起源被认为是在大约 2.67 亿年前，在被称为"介形纲"的小型海洋甲壳类动物身上。但是，对于这种能发光的特性，生物发光的起源却一直很模糊。2009 年在巴哈马群岛展示生物荧光的八射珊瑚 Isidella sp.图片来源：Sönke Johnsen博物馆的珊瑚馆馆长、该研究的资深作者 Andrea Quattrini 说："没有人知道为什么动物中会首次出现这种进化。"但是，对于夸特里尼和主要作者、博物馆研究助理、前博士后丹尼尔-德里奥说，要最终解决生物发光进化的原因这个更大的问题，他们需要知道这种能力是什么时候首次出现在动物身上的。为了寻找这种特性的最早起源，研究人员决定回溯八射珊瑚的进化史。八射珊瑚是一种进化古老、经常发出生物光的动物，包括软珊瑚、海扇和海笔。与硬珊瑚一样，八射珊瑚也是一种微小的群体性珊瑚虫，它们分泌的框架成为它们的避难所，但与它们的石质亲戚不同的是，这种结构通常是柔软的。会发光的八射珊瑚通常只有在受到碰撞或其他干扰时才会发光，因此它们发光的确切功能还有点神秘。德里奥说："我们想弄清生物发光的起源时间，而八射珊瑚是地球上已知会发出生物发光的最古老的动物群体之一。所以，问题是它们是什么时候发展出这种能力的？"无独有偶，夸特里尼和哈维-马德学院的凯瑟琳-麦克法登在2022 年完成了一棵极为详细、证据确凿的八射珊瑚进化树。夸特里尼和她的合作者利用来自185种八射珊瑚的遗传数据绘制了这幅进化关系图，即系统发生图。有了这棵以基因证据为基础的进化树，德里奥和 Quattrini 便根据两块已知年龄的八射珊瑚的物理特征，将它们放入进化树中。科学家们利用这些化石的年龄和它们各自在章鱼进化树中的位置，大致推算出了章鱼支系分裂成两个或多个分支的时间。接下来，研究小组绘制出了系统进化树中具有生物发光物种的分支。在确定了进化树的日期并标注了包含发光物种的分支之后，研究小组利用一系列统计技术进行了一项名为"祖先状态重建"的分析。Quattrini说："如果我们知道今天生活的这些章鱼物种具有生物发光特性，我们就可以利用统计学推断出它们的祖先是否极有可能具有生物发光特性。具有共同特征的现存物种越多，随着时间的推移，这些祖先也可能具有这种特征的概率就越高。"研究人员在重建祖先状态时使用了许多不同的统计方法，但都得出了相同的结果：大约 5.4 亿年前，所有八射珊瑚的共同祖先很可能是生物发光体。这比之前被称为最早进化出生物荧光的发光甲壳动物早了 2.73 亿年。八射珊瑚有数千种生活代表，而且生物发光的发生率相对较高，这表明这种特性在八射珊瑚的进化成功中发挥了作用。研究人员说，虽然这进一步引出了八射珊瑚使用生物发光到底是为了什么的问题，但生物发光被保留了如此之久这一事实凸显了这种交流方式对于它们的适应和生存是多么重要。既然研究人员已经知道所有八射珊瑚的共同祖先很可能已经具备了自身发光的能力，那么他们就有兴趣更彻底地研究一下，在八射珊瑚类的 3000 多个现存物种中，哪些物种还能发光，哪些物种已经失去了这种特性。这将有助于找到与生物发光能力相关的一系列生态环境，并有可能阐明其功能。为此，德里奥说，她和她的一些合著者正在努力创造一种基因测试，以确定这些物种是否具有荧光素酶（一种参与生物发光的酶）基因的功能拷贝。对于光度未知的物种，这种测试将使研究人员能够更快、更容易地得到答案。除了揭示生物发光的起源，这项研究还提供了进化背景和见解，为今天监测和管理这些珊瑚提供了参考。珊瑚普遍受到气候变化和资源开采活动的威胁，尤其是捕鱼、石油和天然气开采和泄漏，以及最近的海洋矿物开采。这项研究为博物馆的海洋科学中心提供了支持，该中心旨在推动并与世界分享海洋知识。德里奥和Quattrini说，在科学家们弄清发光能力最初进化的原因之前，还有很多东西需要学习，尽管他们的研究结果将发光能力的起源置于进化时间的深处，但未来的研究仍有可能发现生物发光的历史更为久远。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

生物学家构建了迄今为止最全面的鸟类族谱图 时间横跨9300万年

生物学家构建了迄今为止最全面的鸟类族谱图 时间横跨9300万年 这些技术使研究人员能够高精度、高速度地分析大量基因组数据，为构建有史以来最全面的鸟类家谱奠定了基础。4月1日发表在《自然》（Nature）和《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的两篇互补性论文详细介绍了这一进展。《自然》杂志报道的更新家系揭示了6600万年前恐龙灭绝后鸟类进化史的模式。发表在《自然》杂志上的最新鸟类家谱，勾勒出 363 种鸟类之间 9,300 万年的进化关系。图片来源：Jon Fjeldså（绘图）和 Josefin Stiller研究人员观察到，早期鸟类的有效种群数量、替代率和相对脑容量都急剧增加，这为我们揭示这一关键事件之后推动鸟类多样化的适应机制提供了新的线索。在发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）的相关论文中，研究人员仔细研究了新家谱的一个分支，发现火烈鸟和鸽子的亲缘关系比之前的全基因组分析所显示的更远。这项工作是由哥本哈根大学、浙江大学和加州大学圣地亚哥分校牵头的多机构合作项目"鸟类万基因组（B10K）项目"的一部分，该项目旨在为约10500种现存鸟类生成基因组序列草案。"我们的目标是重建所有鸟类的整个进化史，"加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院电子与计算机工程教授西亚瓦什-米拉拉布说，他是《自然》论文的共同资深作者，也是《美国科学院院报》论文的第一作者和共同通讯作者。这些研究的核心是一套名为"ASTRAL"的算法，米拉拉布实验室开发了这套算法，以前所未有的可扩展性、准确性和速度推断进化关系。通过利用这些算法的强大功能，研究小组整合了来自 6 万多个基因组区域的基因组数据，为他们的分析提供了强大的统计基础。研究人员随后研究了整个基因组中各个片段的进化历史。在此基础上，他们拼凑出了一棵马赛克基因树，然后将其编入一棵综合物种树。这种细致入微的方法使研究人员能够构建一个新的、经过改进的鸟类家系，即使在历史不确定的情况下，也能非常精确和详细地描述复杂的分支事件。米拉拉布说："我们发现，我们在分析中加入数万个基因的方法实际上是解决鸟类物种之间进化关系的必要条件。需要所有这些基因组数据，才能以很高的置信度还原6500万-6700万年前的这段特定时期发生了什么"。在发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的这项研究中，研究人员仔细研究了更新的鸟类家谱中的一个分支，发现包括火烈鸟和鸽子在内的鸟类群体的亲缘关系比以前的全基因组分析所显示的要远，并将这一结果归因于第 4 号染色体上的一个不寻常区域。图片来源：Ed Braun（绘图）、Daniel J. Field（鸟类图片）和 Siavash Miarab该团队之所以能够在海量数据集上进行这些分析，是因为米拉拉布实验室设计的计算方法能够在功能强大的 GPU 机器上运行。他们在加州大学圣地亚哥分校圣地亚哥超级计算机的Expanse超级计算机上进行了计算。米拉拉布说："我们很幸运能够使用如此高端的超级计算机。如果没有Expanse，我们就无法在合理的时间内对如此庞大的数据集进行运行和重新运行分析。"研究人员还研究了不同基因组取样方法对树的准确性的影响。他们发现，两种策略对每个物种的许多基因进行测序，以及对许多物种进行测序结合在一起，对重建这一进化史非常重要。哥本哈根大学生物学教授、《自然》论文第一作者约瑟芬-斯蒂勒（Josefin Stiller）说："因为混合使用了这两种策略，所以我们可以测试哪种方法对系统发育重建的影响更大，从每种生物体中采样许多基因序列比从更广泛的物种中采样更重要，尽管后一种方法有助于我们确定不同群体进化的时间。"借助先进的计算方法，研究人员还揭示了他们在之前的一项研究中发现的不寻常之处：鸟类基因组中一条染色体的特定部分数百万年来一直保持不变，没有出现预期的基因重组模式。这一反常现象最初导致研究人员错误地把火烈鸟和鸽子归为进化上的表亲，因为根据这一段未变的DNA，它们似乎关系密切。这是因为他们之前的分析是基于48种鸟类的基因组。但通过使用363个物种的基因组重复分析，他们发现了一个更准确的家族树，它将鸽子与火烈鸟的关系进一步拉近。此外，通过使用由洛克菲勒大学神经生物学教授埃里希-贾维斯（Erich Jarvis）领导的脊椎动物基因组计划（Vertebrate Genome Project，VGP）提供的六个高质量基因组，米拉布及其同事能够发现并推测出这种令人惊讶的模式。佛罗里达大学生物学教授、《美国科学院院刊》（PNAS）论文共同通讯作者爱德华-布劳恩（Edward Braun）说："令人惊讶的是，这段被抑制的重组时期可能会误导分析。正因为它可能会误导分析，所以在未来的6000多万年后，它实际上是可以被检测到的。这才是最酷的部分。"这项工作的影响远远超出了对鸟类进化史的研究。米拉拉布实验室首创的计算方法已成为重建其他各种动物进化树的标准工具之一。下一步，研究小组将继续努力构建鸟类进化的完整图景。生物学家们正在对更多鸟类物种的基因组进行测序，希望能将家谱扩展到数千个鸟属。与此同时，米拉拉布领导的计算科学家们正在改进他们的算法，以适应更大的数据集，确保在未来的研究中能够高速、准确地进行分析。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

生物学家研制出光动力酵母菌 带来对进化、生物燃料和细胞衰老的新认识

生物学家研制出光动力酵母菌 带来对进化、生物燃料和细胞衰老的新认识 Anthony Burnett说:“坦率地说，我们对将酵母转化为光养生物(能够利用光能的生物)是多么简单感到震惊。我们所需要做的就是移动一个基因，它们在光照下的生长速度比在黑暗中快2%。没有任何微调或精心的哄骗，它就是有效的。”很容易地为酵母配备这样一个进化上重要的特征，可能对我们理解这种特征是如何起源的意义重大，以及如何将其用于研究生物燃料生产、进化和细胞老化等问题。寻找能量提升这项研究的灵感来自于该小组过去研究多细胞生命进化的工作。该小组去年在《自然》杂志上发表了他们的第一份关于多细胞长期进化实验(MuLTEE)的报告，揭示了他们的单细胞模式生物“雪花酵母”是如何在3000代的时间里进化出多细胞的。在这些进化实验中，出现了多细胞进化的一个主要限制:能量。“氧气很难扩散到组织深处，因此你得到的组织没有能力获得能量。”“我一直在寻找绕过这种基于氧的能量限制的方法。”在不使用氧气的情况下给生物体提供能量的一种方法是通过光。但是从进化的角度来看，将光转化为可用能量的能力是复杂的。例如，允许植物利用光作为能量的分子机制涉及许多基因和蛋白质，这些基因和蛋白质在实验室和自然进化中都很难合成和转移到其他生物体中。幸运的是，植物并不是唯一能将光转化为能量的生物。保持简单生物体利用光的一种更简单的方法是利用视紫红质:一种无需额外的细胞机制就能将光转化为能量的蛋白质。该研究的主要作者Autumn Peterson说:“视紫红质在生命之树上随处可见，显然是生物体在进化过程中相互获取基因而获得的。”这种类型的基因交换被称为水平基因转移，涉及在不密切相关的生物体之间共享遗传信息。水平基因转移可以在短时间内引起看似巨大的进化跳跃，比如细菌如何迅速对某些抗生素产生耐药性。这可能发生在所有的遗传信息中，特别是在视紫红质蛋白中。“在寻找将视紫红质转移到多细胞酵母中的方法的过程中，我们发现我们可以通过将其转移到常规的单细胞酵母中来了解过去在进化过程中发生的视紫红质水平转移。”为了观察他们是否能给单细胞生物配备太阳能视紫红质，研究人员将一种由寄生真菌合成的视紫红质基因添加到普通的面包酵母中。这种特殊的基因被编码为一种视紫红质，这种视紫红质会被插入细胞的液泡中，液泡是细胞的一部分，像线粒体一样，可以将视紫红质等蛋白质产生的化学梯度转化为能量。配备了空泡紫红质，酵母在光照下的生长速度大约快了2%这对进化来说是一个巨大的好处。“在这里，我们有一个单一的基因，我们只是把它跨环境拉到一个以前从未有过光养性的谱系中，它就这样工作了。”“这表明，这种系统真的很容易，至少有时，在一个新的有机体中发挥作用。”这种简单性提供了关键的进化见解，研究人员说明了“视紫红质能够轻易地在如此多的谱系中传播，以及为什么会这样”。由于空泡功能可能有助于细胞衰老，该小组也开始合作研究视紫红质如何能够减少酵母的衰老效应。其他研究人员已经开始使用类似的新型太阳能酵母来研究推进生物生产，这可能标志着生物燃料合成等方面的重大进步。然而，这一团队更热衷于探索这种额外的好处如何影响单细胞酵母向多细胞生物的转变。“我们有这个美丽的简单多细胞模型系统，”Burnett说，他指的是长期运行的多细胞长期进化实验(MuLTEE)。“我们想给它光营养，看看它是如何改变它的进化的。” ... PC版： 手机版：

科学家揭示1.35亿年前植物-蚂蚁伙伴关系的起源

科学家揭示1.35亿年前植物-蚂蚁伙伴关系的起源 一项新研究发现，大约在 1.35 亿年前，蕨类植物和开花植物同时进化出了蜜腺，这表明它们与蚂蚁之间的互惠关系也发生了平行进化，这对了解植物进化和物种间相互作用具有重要意义。资料来源：田纳西大学诺克斯维尔分校例如，有些植物设法招募蚂蚁保镖。它们在叶子上分泌含糖花蜜，吸引蚂蚁，然后这些领地意识很强、攻击性很强的蚂蚁雇佣兵就会在"它们的"植物上巡逻，蜇咬试图吃它的食草动物。这些关系在有花植物中都有详细记载，但在不开花的蕨类植物中也有发生。这对研究人员来说是个奇怪的消息，因为长期以来人们一直认为蕨类植物缺乏进行这种复杂的生物互动的蜜腺。UT生态学与进化生物学系助理教授雅各布-苏伊萨（Jacob Suissa）与康奈尔大学的同事，包括蕨类植物专家李菲伟（Fay-Wei Li）和蚂蚁专家科里-莫罗（Corrie Moreau）合作，研究这种现象是如何在数千年间发展起来的。他们最近在《自然通讯》（Nature Communications）上发表了关于这种物种间合作关系的进化时间表和潜在因素的研究成果。"这项工作的新内容有两个方面，"苏伊萨解释说。"首先，我们发现蜜腺产生含糖花蜜以吸引蚂蚁保镖的结构在蕨类植物和开花植物中的进化时间大致相同"。这发生在大约 1.35 亿年前，与白垩纪植物-动物联合体的兴起相吻合。苏伊萨说："考虑到这是蕨类植物进化史上非常晚的时期，距它们的起源已经过去了近 2 亿年，这个时间点非常壮观。但它在开花植物进化史上却非常早，几乎是在白垩纪开花植物起源之初。"第二个新元素是这一切是如何发生的。蕨类植物最初是陆生植物，生长在森林地面上。大约在 6000 万年前的新生代，它们发生了重大转变，成为附生植物或树栖植物，也就是说，他们在成长过程中学会了一些新习惯。苏伊萨说："我们发现，当蕨类植物离开森林地面，进入树冠，成为附生植物、攀援植物或树状蕨类植物时，它们利用了现有的蚂蚁与开花植物之间的相互作用，进化出了蜜腺。"这两种植物的生态和进化史呈现出一种奇特的动态。蕨类植物和开花植物是在 4 亿多年前从一个共同祖先分化而来的，但在蜜腺进化和蚂蚁-植物互利交换的同时，蕨类植物和开花植物也取得了长足进步。这表明，可能有一些'生命规则'支配着非花蜜腺和蚂蚁-植物互惠关系的进化。这项工作可以为生态、发育或基因组分析提供进化框架或背景，从而有助于未来的研究。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：