生物学家利用18亿个遗传密码字母构建出突破性的开花植物生命树

生物学家利用18亿个遗传密码字母构建出突破性的开花植物生命树 在邱园皇家植物园科学家的领导下，研究小组相信这些数据将有助于今后识别新物种、完善植物分类、发现新的药用化合物，以及在气候变化和生物多样性丧失的情况下保护植物。这项植物科学领域的重大里程碑研究涉及 138 个国际组织，其所依据的数据量是对有花植物生命树进行的同类研究的 15 倍。在为这项研究进行测序的物种中，有 800 多个物种的DNA以前从未被测序过。这项研究揭示的数据量之大，需要一台计算机花费 18 年的时间才能处理完毕，这是邱园"生命之树计划"在为所有 33 万种已知有花植物建立生命之树方面迈出的一大步。"分析这一前所未有的数据量，解码隐藏在数百万 DNA 序列中的信息，是一项巨大的挑战。但这也为我们重新评估和扩展对植物生命树的认识提供了一个独特的机会，为探索植物进化的复杂性打开了一扇新窗口，"邱园皇家植物园研究员亚历山大-尊蒂尼（Alexandre Zuntini）说。马萨诸塞大学进化生物学家斯蒂芬-史密斯（Stephen Smith）实验室的博士后研究员汤姆-卡鲁瑟（Tom Carruthers）是这项研究的共同第一作者，他与尊蒂尼曾在邱园共事。马萨诸塞大学植物系统学家理查德-拉贝勒（Richard Rabeler）是该研究的共同作者。被子植物生命之树。资料来源：RBG Kew"每当我们走进森林，开花植物都会为我们提供食物、衣物和问候。一个多世纪以来，构建开花植物生命树一直是进化生物学领域的重大挑战和目标，"这项研究的共同作者、麻省理工大学生态学与进化生物学系教授史密斯说。"这个项目为大多数有花植物属提供了一个庞大的数据集，为完成这一目标提供了一种策略，从而使我们离这一目标更近了一步。"史密斯在该项目中扮演了两个角色。首先，他的实验室成员包括麻省理工大学前研究生德鲁-拉尔森（Drew Larson）前往邱园，帮助对一个名为"Ericales"的大型多样性植物群的成员进行测序，该植物群包括蓝莓、茶、杜鹃花、杜鹃花和巴西坚果。其次，史密斯与邱园皇家植物园的威廉-贝克（William Baker）和费利克斯-弗雷斯特（Felix Forest）以及奥胡斯大学的沃尔夫-艾森哈特（Wolf Eisenhardt）共同监督了项目数据集的分析和构建。"研究小组面临的最大挑战之一是许多基因区域所蕴含的意想不到的复杂性，在这些区域中，不同的基因讲述着不同的进化史。团队面临的最大挑战之一是许多基因区域所蕴含的意想不到的复杂性，不同的基因讲述着不同的进化历史。我们必须开发出一种程序，以前所未有的规模来研究这些模式。"作为这项研究的共同负责人，卡鲁瑟的主要职责包括利用 200 块化石将进化树按时间进行缩放，分析整体进化树基础基因的不同进化史，以及估算不同开花植物系在不同时期的多样化率。卡鲁瑟说："基于如此多的基因，为有花植物构建如此庞大的生命树，揭示了这一特殊群体的进化史，帮助我们了解它们是如何成为世界上如此不可或缺的主要组成部分的。所展示的进化关系以及这些关系所依据的数据将为今后的大量研究奠定重要基础。"开花植物的生命树就像我们的家谱一样，能让我们了解不同物种之间的关系。生命树是通过比较不同物种之间的 DNA 序列来发现变化（突变）的，这些变化随着时间的推移不断累积，就像分子化石记录一样。随着 DNA 测序技术的进步，我们对生命之树的了解也在迅速加深。在这项研究中，我们开发了新的基因组技术，通过磁力从每个样本中捕捉数百个基因和数十万个遗传密码，比早期的方法多出几个数量级。Arenaria globilfora.资料来源：RBG Kew该研究小组的方法的一个主要优势是，它能对多种多样的新老植物材料进行测序，即使DNA受到严重破坏也不例外。世界标本馆收藏了近 4 亿份植物科学标本，其中有大量的干燥植物材料，现在可以对它们进行基因研究了。邱园生命之树计划的高级研究负责人贝克说："从很多方面来说，这种新颖的方法使我们能够与过去的植物学家合作，利用历史标本馆标本中的大量数据，其中一些标本早在19世纪初就被收集起来了。我们杰出的前辈，如查尔斯-达尔文或约瑟夫-胡克，不可能预料到这些标本在今天的基因组研究中会如此重要。在他们的有生之年，DNA 甚至还没有被发现。我们的工作表明，这些令人难以置信的植物博物馆对于地球生命的开创性研究有多么重要。谁知道其中还蕴藏着哪些未被发现的科学机遇呢？"在所有 9506 个测序物种中，有 3 400 多个来自 48 个国家 163 个标本馆的材料。马萨诸塞大学名誉研究科学家、马萨诸塞大学标本馆前馆长拉贝勒说："为研究植物关系而对标本馆标本进行采样，使得从世界不同地区进行广泛采样的可行性大大提高，而不需要长途跋涉从野外获取新鲜材料。"在生命之树项目中，拉贝勒帮助核实了标本馆采样标本的身份，并对所得数据进行了分析。仅开花植物就占陆地上所有已知植物生命的 90%，几乎遍布地球的每一个角落从最湿润的热带到南极半岛的岩石露头。然而，我们对这些植物是如何在起源后不久就占据了主导地位的理解，却困惑了包括达尔文在内的几代科学家。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，包括它们的近亲裸子植物（有裸露种子的非开花植物，如苏铁、针叶树和银杏）。达尔文对化石记录中看似突然出现的这种多样性感到神秘。在 1879 年写给他的密友、邱园皇家植物园园长胡克的信中，他写道："据我们判断，所有高等植物都是在最近的地质年代迅速发展起来的，这是一个令人憎恶的谜。"作者利用 200 块化石，将他们的生命树按时间顺序排列，揭示了开花植物是如何跨越地质年代进化的。他们发现，早期有花植物的多样性确实出现了爆炸性增长，在其起源后不久就产生了今天存在的80%以上的主要品系。然而，在接下来的 1 亿年里，这一趋势逐渐趋于平稳，直到大约 4000 万年前，随着全球气温的下降，物种多样性再次激增。这些新的洞察力会让达尔文着迷，也必将帮助今天的科学家们努力应对了解物种如何以及为什么会多样化的挑战。如果没有邱园科学家与全球众多合作伙伴的通力合作，就不可能形成如此庞大的生命之树。总共有 279 位作者参与了这项研究，他们来自 27 个国家的 138 个组织，代表着不同的国籍。"植物界长期以来一直在合作和协调分子测序工作，以生成更全面、更强大的植物生命树。"马萨诸塞大学的史密斯说："发表这篇论文的努力延续了这一传统，但规模却大大扩大了。"开花植物生命树在生物多样性研究方面具有巨大潜力。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，这些新数据对于促进科学及其他许多领域的发展将是非常宝贵的。为实现这一目标，生命之树及其基础数据已通过邱园生命之树资源管理器（KewTree of Life Explorer）等渠道向公众和科学界公开和免费开放。开放访问将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。作者指出，这些数据的应用最终将取决于获取数据的科学家的聪明才智。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

“基因程序”让所有植物的祖先征服了旱地

“基因程序”让所有植物的祖先征服了旱地 哥廷根大学培养的两株 Zygnema。C 表示叶绿体，N 表示细胞核，P 表示类核。单细胞丝含有两个叶绿体和一个细胞核。现在，在内布拉斯加-林肯大学的领导下，一个由来自全球 20 个研究机构的 50 名科学家组成的团队绘制了四株古老的Zygnema藻类的基因组图谱，揭开了最早陆地植物的基因创新之路。内布拉斯加大学林肯分校的计算生物学家、该研究的共同通讯作者尹彦斌说："这是一个进化的故事。它回答了最早的陆生植物是如何从水生淡水藻类进化而来这一根本问题。"基因组测序是确定生物体完整遗传物质（DNA）的过程，并将其组装成一个可计算的表示形式。它为研究物种进化和了解遗传多样性提供了宝贵的资源。如果全基因组测序是在基因所在的染色体水平上进行的，则会更有用。绘制海藻基因组图谱揭示了陆生植物的进化过程 Klára Plíhalová/Wikimedia CommonsCC BY-SA 4.0研究人员利用德克萨斯大学奥斯汀分校的藻类培养库中的两个样株和德国哥廷根大学的两个样株，组建了四个多细胞藻类样株。Zygnema属于淡水和半陆生藻类Zygnematophyceae（双星藻属），有4000多个已描述的物种，能适应紫外线、极端干燥和冰冻等极端压力。陆生植物的一个显著特点是它们的多细胞体。多细胞基因与对环境压力的反应密切相关，为植物的适应性奠定了基础。研究人员利用尖端的DNA测序技术，生成了完整的染色体级藻类基因组。通过将这些基因组与其他植物和藻类的基因组进行比较，研究人员发现了双星藻属的基因创新。他们发现了涉及生长和发育、细胞分裂、细胞壁生物合成和重塑的"基因程序"，以及由环境线索触发的基因。基因的共同表达表明，它们共同感知环境并相应地调节植物生长。"我们的基因网络分析揭示了基因的共同表达，特别是那些在陆生植物和裸子植物最后的共同祖先中扩展和获得的细胞壁合成和重塑基因，"Yin说。"我们揭示了平衡环境响应和多细胞细胞生长机制的深层进化根源"。研究人员说，他们的发现将引发进一步的研究，这对生物能源、水的可持续性和碳封存都有重要意义。哥廷根大学的共同通讯作者扬-德-弗里斯（Jan de Vries）说："我们不仅为整个植物科学界提供了宝贵的高质量资源，使他们现在可以探索这些基因组数据，而且我们的分析还发现了环境反应之间错综复杂的联系。"这项研究发表在《自然遗传学》杂志上。 ... 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：

《 有害植物：近200种有害植物的彩色图鉴+植物知道生命的答案5本PDF格式植物相关类》

《 有害植物：近200种有害植物的彩色图鉴+植物知道生命的答案5本PDF格式植物相关类》 简介：本书提供了关于 有害植物：近200种有害植物的彩色图鉴+植物知道生命的答案5本PDF格式植物相关类的深度解析，涵盖其发展背景、核心概念以及实际应用。通过真实案例与科学研究，帮助读者理解其重要性，并掌握相关技能或知识点。适合对该主题感兴趣的读者，让你在短时间内提升认知，拓宽思维边界。 标签：##有害植#知识#学习 文件大小：NG 链接：

比人类基因组更复杂 甘蔗基因组图谱的绘制标志着一个科学里程碑

比人类基因组更复杂 甘蔗基因组图谱的绘制标志着一个科学里程碑 现代杂交甘蔗简介现代杂交甘蔗是地球上收获最多的作物之一，用于制造糖、糖蜜、生物乙醇和生物基材料等产品。它也拥有最复杂的基因蓝图。迄今为止，甘蔗复杂的遗传学使其成为最后一种没有完整和高度精确基因组的主要作物。科学家们开发并结合多种技术，成功绘制出甘蔗的遗传密码图。有了这张地图，他们就能验证抗褐锈病的具体位置，这种褐锈病如果不加以控制，就会对糖料作物造成毁灭性打击。研究人员还可以利用基因序列更好地了解糖类生产中涉及的许多基因。甘蔗遗传研究进展这项研究是美国能源部联合基因组研究所（JGI）社区科学计划的一部分，JGI是能源部科学办公室在劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的用户设施。该研究于3月27日发表在《自然》杂志上，基因组可通过JGI的植物门户网站Phytozome获取。"这是我们迄今为止完成的最复杂的基因组序列，"JGI 植物项目负责人、哈德逊阿尔法生物技术研究所（HudsonAlpha Institute for Biotechnology）研究员杰里米-施穆茨（Jeremy Schmutz）说。"这表明我们已经取得了很大进展。这种事情在 10 年前人们认为是不可能的。我们现在能够实现我们认为在植物基因组学领域不可能实现的目标"。甘蔗的基因组之所以如此复杂，一方面是因为它体积庞大，另一方面是因为它比一般植物含有更多的染色体拷贝，这一特征被称为多倍体。甘蔗有大约 100 亿个碱基对（DNA 的组成单位）；相比之下，人类基因组大约有 30 亿个碱基对。甘蔗 DNA 的许多片段在不同染色体内部和之间都是相同的。因此，在重建完整基因蓝图的同时，正确重组所有小段 DNA 是一项挑战。研究人员将多种基因测序技术结合起来，包括一种新开发的名为 PacBio HiFi 的测序方法，这种方法可以准确确定较长 DNA 片段的序列，从而解决了这一难题。了解和利用甘蔗基因组有了完整的"参考基因组"，研究甘蔗就更容易了，研究人员可以将甘蔗的基因和通路与其他研究得比较透彻的作物（如高粱或其他感兴趣的生物燃料作物，如开关草和马齿苋）的基因和通路进行比较。通过与其他作物进行比较，可以更容易地了解每个基因是如何影响相关性状的，例如哪些基因在制糖过程中高度表达，或者哪些基因对抗病性很重要。这项研究发现，负责抵抗棕色锈病的基因只存在于基因组的一个位置，而棕色锈病是一种真菌病原体，曾给甘蔗作物造成数百万美元的损失。这张图片显示的是基因排序图（使用 GENESPACE 创建），它比较了相关植物物种的基因组组装情况。水平白线代表染色体，连接染色体的彩色编织线表示保守的基因块。这样，研究人员就能将研究得比较透彻的作物（如双色高粱，一种特殊的高粱）中的保守基因追踪到更复杂的基因组中，如野生甘蔗和栽培品种 R570，从而更好地了解它们的功能。为了形成对比，上一行提供了 R570 先前的单倍体组合，其中基因组中的多个染色体拷贝被表示为一个单一的马赛克组合。图片来源：Adam Healey 和 John Lovell/HudsonAlpha论文第一作者、HudsonAlpha 公司研究员亚当-希利（Adam Healey）说："当我们对基因组进行测序时，我们填补了围绕褐锈病的基因序列空白。甘蔗基因组中有数十万个基因，但只有两个基因共同发挥作用，保护植物免受病原体的侵害。据我们所知，在所有植物中，以类似方式进行保护的情况屈指可数。更好地了解甘蔗的这种抗病性是如何起作用的，有助于保护其他面临类似病原体的作物。"研究人员对一种名为 R570 的甘蔗栽培品种进行了研究，几十年来，该品种一直被世界各地用作了解甘蔗遗传学的模型。与所有现代甘蔗栽培品种一样，R570 也是由甘蔗驯化品种（产糖能力强）和野生品种（携带抗病基因）杂交而成的。对农业和生物能源的潜在影响该论文的最后一位作者、法国国际发展农业研究中心（CIRAD）甘蔗研究员安热莉克-德洪（Angélique D'Hont）说："了解 R570 的完整遗传图谱将使研究人员能够追踪哪些基因来自哪个亲本，从而使育种人员能够更容易地确定控制相关性状的基因，以提高产量。"改良未来的甘蔗品种在农业和生物能源领域都有潜在的应用前景。改进甘蔗的产糖方式可以提高农民的作物产量，在相同的种植面积上提供更多的糖分。甘蔗是生产生物燃料（尤其是乙醇）和其他生物产品的重要原料或起始材料。甘蔗压榨后剩下的残渣被称为甘蔗渣，是一种重要的农业残渣，也可被分解和转化为生物燃料和生物产品。联合生物能源研究所是伯克利实验室领导的能源部生物能源研究中心，该研究所的首席科技官布雷克-西蒙斯（Blake Simmons）说："我们正在努力了解植物中的特定基因与下游生物质质量的关系，然后我们可以将生物质转化为生物燃料和生物产品。""有了对甘蔗遗传学的深入了解，我们就能更好地理解和控制植物基因型，从而生产出我们所需的糖类和蔗渣衍生中间体，实现与生物经济相关的规模化可持续甘蔗转化技术"。到目前为止，甘蔗复杂的遗传学使其成为最后一种没有完整和高精度基因组的主要作物。研究人员结合多种技术，成功绘制出甘蔗的DNA图谱，并确定了关键区域包括与糖的生产和运输以及对褐锈病的抗病性有关的几个区域。甘蔗的参考基因组可用于帮助培育抗逆性更强的作物或提高糖产量，并可应用于农业和生物能源领域。 ... PC版： 手机版：

当生物学家对DNA进行合成时，他们会竭力避免创造或传播一段危险的遗传密码，因为它可能被用来创造一种毒素，或者更糟糕的是，一种传染

当生物学家对DNA进行合成时，他们会竭力避免创造或传播一段危险的遗传密码，因为它可能被用来创造一种毒素，或者更糟糕的是，一种传染性疾病。但是，一组生物黑客已经证明了如何让DNA能够携带一个威胁 一个不是旨在感染人类或动物而是针对计算机的病毒威胁。 华盛顿大学的一组研究人员计划在周四的USENIX安全会议上展示他们的新研究，他们首次证明：有可能将恶意软件编码到DNA链中，这样当基因测序仪分析它时，产生的数据就会变成一个程序，破坏基因测序软件并控制基础计算机。 虽然这种攻击对真正的间谍或罪犯来说有点不切实际，但是研究人员认为，随着DNA测序变得越来越普遍，功能越来越强大，并由第三方服务在敏感的计算机系统上执行，这种攻击可能会变得越来越可能。而且，对于网络安全界来说，也许更重要的是，它也代表了一个令人印象深刻的、科幻式的纯粹黑客的聪明才智。 领导该项目的华盛顿大学计算机科学教授 Tadayoshi Kohno 说：“我们知道，如果对手控制了一台计算机正在处理的数据，它就有可能接管这台计算机”，他将这种技术与传统的黑客攻击相比较，传统黑客将恶意代码打包在网页或电子邮件附件中，“这意味着你不仅要考虑网络连接和USB驱动器以及键盘上的用户，还要考虑正在准备测序的DNA中存储的信息。这是在考虑不同类别的威胁”。 #Hacking #DNA