Перевод: Ирина Шитикова

Фото: Beier C., Unsplash

Новое исследование, которое провели 279 ученых под руководством Королевского ботанического сада Кью, расширило понимание древа жизни цветковых растений путем анализа генетических данных более чем 9,5 тыс. видов. Древо жизни для генетиков — все равно что таблица Менделеева для химиков. Полученная в ходе анализа информация позволит открывать новые виды лекарственных растений, а также классифицировать их и уберечь от исчезновения под влиянием неблагоприятных условий.

В Исследовании, опубликованном в журнале Nature международной командой ученых, которое дает новое представление о древе жизни цветковых растений, использовались 1,8 млрд букв генетического кода более чем 9,5 тыс. видов, охватывающих почти 8 тыс. известных родов цветковых растений (около 60%). Это достижение проливает новый свет на историю их эволюции и восхождение к экологическому доминированию на Земле.

Ученые полагают, что эти данные помогут в будущем идентифицировать новые виды, уточнить классификацию растений, открыть новые лекарственные соединения и сохранить растения во времена изменения климата и утраты биоразнообразия. Среди видов, секвенированных для исследования, более 800 видов никогда ранее не подвергались секвенированию ДНК.

Большие данные

На обработку всего объема данных, полученных в результате этого исследования, одному компьютеру потребовалось бы 18 лет. Это огромный шаг на пути к построению древа жизни для всех 330 тыс. известных видов цветковых растений — масштабного проекта инициативы Королевского ботанического сада Кью «Древо жизни».

«Анализировать этот беспрецедентный объем данных для расшифровки информации, скрытой в миллионах последовательностей ДНК, было очень сложно. Но это предоставило уникальную возможность переоценить и расширить наши знания о древе жизни растений, открыв новое окно для изучения их эволюции», — сказал Александр Зунтини, научный сотрудник Королевского ботанического сада Кью.

По словам Стивена Смита, одного из соавторов исследования, построение древа жизни цветковых растений является важной задачей и целью для эволюционной биологии уже более века. «Данный проект приближает нас к этой цели, предоставляя огромный набор данных по большинству родов цветковых растений и предлагая одну из стратегий для достижения этой цели», — отметил он.

У Смита было две роли в проекте: секвенировать представителей группы растений под названием Ericales, в которую входят черника, чай, черное дерево, азалии, рододендроны и бразильские орехи, а также — руководить анализом и созданием набора данных проекта вместе с другими исследователями.

Гербарий для генетиков

Том Каррутерс, соруководитель исследования, занимался масштабированием эволюционного древа во времени с использованием 200 окаменелостей. В число его основных обязанностей также вошли анализ различных эволюционных историй генов, лежащих в основе общего эволюционного древа, и оценка темпов диверсификации различных линий цветковых растений в разное время.

«Построение 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 неотъемлемой и доминирующей частью мира, — сказал Каррутерс, — Представленные эволюционные взаимосвязи — и лежащие в их основе данные — дадут важную базу для многих будущих исследований».

Понимание древа жизни улучшается вместе с достижениями в технологии секвенирования ДНК. Для этого исследования были разработаны новые геномные методы, позволяющие магнитным способом фиксировать сотни генов и сотни тысяч букв генетического кода из каждого образца, что, по мнению исследователей, на порядки больше, чем при использовании более ранних методов.

Исследователи заявляют, что ключевым преимуществом подхода их команды является то, 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 млн научных образцов растений, теперь могут быть изучены генетически.

База знаний

Такой подход позволил исследователям сотрудничать с ботаниками прошлого, используя данные, хранящихся в исторических образцах гербария, некоторые из которых были собраны еще в начале XIХ века, о чем заявил Уильям Бейкер, старший научный руководитель инициативы «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, — рассуждает он. — 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 9 506 секвенированных видов более 3,4 тыс. были выявлены 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 нам приходилось путешествовать, чтобы получить свежий материал с полей», — сказал Ричард К. Рабелер, ученый-исследователь из Мичиганского университета.

Понимание того, как эти растения стали доминировать на земле вскоре после своего появления, озадачивало ученых на протяжении многих поколений, включая Дарвина. Цветковые растения возникли более 140 млн 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 неожиданным появлением такого разнообразия в ископаемом мире. В письме 1879 года Хукеру, своему близкому другу и директору Королевского ботанического сада в Кью, он писал: «Быстрое развитие, насколько мы можем судить, всех представителей высших растений в последние геологические времена — отвратительная загадка».