פרויקט פורץ דרך מיפה את ה-DNA של למעלה מ-9,500 צמחים פורחים, מספק תובנות חדשות לגבי התפתחות הצמחים והפך את הנתונים לזמינים באופן חופשי למחקר במגוון הביולוגי ובתחומים מדעיים אחרים. קרדיט: twoday.co.il.com
עץ החיים הצומח הפורח, בדומה לאילן היוחסין שלנו, מאפשר לנו להבין עד כמה שונה מִין קשורים זה לזה. עץ החיים מתגלה בהשוואה DNA רצפים בין מינים שונים לזיהוי שינויים (מוטציות) המצטברים עם הזמן כמו תיעוד מאובנים מולקולרי. הבנתנו את עץ החיים משתפרת במהירות עקב ההתקדמות בטכנולוגיית רצף ה-DNA.
עץ DNA עצום של חיים מביא לגישה פתוחה רצפי DNA של יותר מ-9,500 צמחים פורחים הושג לאחרונה על ידי מדענים מהגנים הבוטניים המלכותיים, קיו, יחד עם משתפי פעולה ממכון קונמינג לבוטניקה (KIB) של האקדמיה הסינית למדעים ובסביבותיו בעולם, משאב רב ערך זה מאפשר לנו לענות על שאלות מפתח על חיי הצמחים המודרניים ולהסתכל אחורה בזמן אל מקורותיהם. המחקר שלהם פורסם לאחרונה ב טֶבַע.
התקדמות טכנולוגית בריצוף DNA
יתרון מרכזי של הגישה הוא שניתן להשתמש בה לרצף מגוון רחב של חומר צמחי, ישן וחדש, גם כאשר ה-DNA ניזוק קשות. כעת ניתן לחקור באופן גנטי את אוצר האוצר העצום של חומר צמחי מיובש באוספים של העשבים בעולם, הכוללים כמעט 400 מיליון דגימות צמחים מדעיות.
עץ החיים אנגיוספרם. קרדיט: RBG Kew
באמצעות דגימות כאלה, החוקרים רצפו דגימת חול (ארנריה גלוביפלורה) נאסף לפני כמעט 200 שנה בנפאל ולמרות האיכות הירודה של ה-DNA שלו, הצליחו למקם אותו בעץ החיים. הם אפילו ניתחו צמחים שנכחדו, כמו זית האי גואדלופה (Hesperelaea palmeri), שלא נראתה בחיים מאז 1875. למעשה, 511 מהמינים שנרשמו כבר נמצאים בסכנת הכחדה, לפי הרשימה האדומה של האיגוד הבינלאומי לשימור הטבע, כולל שלושה נוספים כמו Hesperelaea שכבר נכחדו.
שיתוף פעולה גלובלי ותגליות חדשות
מתוך 9,506 המינים שנרשמו למחקר זה, למעלה מ-3,400 נגזרו מחומר שמקורו ב-163 עשבים ב-48 מדינות, עם חומר נוסף מאוספי צמחים ברחבי העולם (למשל, מאגר DNA, זרעים ואוספים חיים).
מבין המינים שנרשמו, יותר מ-800 מעולם לא עברו רצף של ה-DNA שלהם קודם לכן. רצף זה היה חיוני כדי להשלים פערי ידע חשובים ולשפוך אור חדש על ההיסטוריה האבולוציונית של צמחים פורחים. החוקרים נהנו גם מנתונים זמינים לציבור עבור יותר מ-1,900 מינים, המדגישים את הערך של הגישה המדעית הפתוחה למחקר גנומי עתידי.
למרות התכונות הביולוגיות המנוגדות של הגנום הגרעיני והפלסטידי (למשל, גודל, מספר העתקות, אופן תורשה, רקומבינציה וקצב אבולוציוני), מה שעלול להוביל לעצים פילוגניים סותרים, התוצאות תומכות במידה רבה בסיווג הפילוגנטי המבוסס בעיקר על פלסטידים של קבוצת הפילוגניה של אנגיוספרם IV. לדוגמה, 58 מתוך 64 ההזמנות המקובלות כיום ו-406 מתוך 416 המשפחות נמצאו כמונופילטיות (לא כולל חפצים).
טנגלגרם ברמה סידורית בין עבודה זו (משמאל) לעץ הסכמטי של APG IV (מימין). קרדיט: KIB
היוצא מן הכלל הבולט ביותר הוא האי-מונופיליה של Asteraceae, משפחת האנגיוספרמים הגדולה ביותר, הכוללת חמניות וקרוביהם. העץ שנוצר על ידי מחקר זה מאשר גם 85% מהיחסים בין משפחות שהתאוששו על ידי עץ האנגיוספרם הפילוגנומי באמצעות פלסטומים על ידי מדענים מה-KIB.
"המסתורין המתועב" והתובנות האבולוציוניות של דרווין
מקורם של צמחים פורחים לפני למעלה מ-140 מיליון שנה, ולאחר מכן הם עקפו במהירות צמחי כלי דם אחרים. דרווין נבהל מההופעה הפתאומית לכאורה של מגוון כזה בתיעוד המאובנים וכתב: "ההתפתחות המהירה, ככל שאנו יכולים לשפוט, של כל הצמחים הגבוהים בתקופה הגיאולוגית האחרונה היא תעלומה מתועבת."
באמצעות 200 מאובנים, החוקרים עקבו אחר עץ החיים שלהם אחורה בזמן כדי להראות כיצד צמחים פורחים התפתחו לאורך זמן גיאולוגי. הם גילו שצמחי פריחה מוקדמים אכן התפוצצו במגוון, כפי שציין דרווין. התפתחותם המהירה של צמחים אלו הולידה, זמן קצר לאחר מוצאם, למעלה מ-80% מהשושלות העיקריות הקיימות כיום. עם זאת, מגמה זו ירדה אז לקצב יציב יותר במשך 100 מיליון השנים הבאות, עד שזינוק נוסף בגיוון התרחש לפני כ-40 מיליון שנה, במקביל לירידה גלובלית בטמפרטורה.
הממצאים החדשים הללו היו מרתקים את דרווין ובוודאי יעזרו למדענים של ימינו כשהם מתמודדים עם האתגרים של הבנה כיצד ומדוע מינים מגוונים.
לעץ החיים הצומח הפורח פוטנציאל עצום לחקר המגוון הביולוגי. הסיבה לכך היא שבדיוק כפי שניתן לחזות את תכונותיו של יסוד על סמך מיקומו בטבלה המחזורית, מיקומו של מין בעץ החיים מאפשר לנו לחזות את תכונותיו. הנתונים החדשים יהיו אפוא בעלי ערך רב בשיפור תחומי מדע רבים ומעבר לכך.
כדי לאפשר זאת, העץ וכל הנתונים הבסיסיים שלו הפכו לזמינים באופן גלוי וחופשי הן לציבור והן לקהילה המדעית, לרבות באמצעות סייר עץ החיים Kew. החוקרים מאמינים שגישה פתוחה כזו היא המפתח לדמוקרטיזציה של גישה לנתונים מדעיים ברחבי העולם.
גישה פתוחה גם תסייע למדענים להפיק את המרב מהנתונים, כגון שילובם עם בינה מלאכותית כדי לחזות אילו מיני צמחים עשויים להכיל מולקולות בעלות פוטנציאל רפואי. באופן דומה, ניתן להשתמש בעץ החיים כדי להבין ולחזות טוב יותר כיצד מזיקים ומחלות ישפיעו על הצמחים בעתיד. בסופו של דבר, מציינים החוקרים, יישומי הנתונים הללו יונעו על ידי כושר ההמצאה של המדענים שניגשים אליהם.
