מחקר חדש של 279 מדענים, בראשות הגנים הבוטניים המלכותיים, קיו, עדכן את ההבנה שלנו לגבי עץ החיים הצומח הפורח על ידי ניתוח נתונים גנטיים של למעלה מ-9,500 מינים. מחקר זה, הכולל שיתוף פעולה בינלאומי והתקדמות טכנולוגית משמעותית, מספק תובנות חיוניות לסיווג צמחים, שימור וגילוי מרפא. הממצאים נגישים באופן חופשי, ומבטיחים לשפר מחקרים ויישומים בוטניים עתידיים.
מדענים בנו עץ חיים פורץ דרך תוך שימוש ב-1.8 מיליארד אותיות של קוד גנטי.
מחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת Nature על ידי צוות בינלאומי של 279 מדענים, כולל שלושה ביולוגים מאוניברסיטת מישיגן, מספק את התובנות האחרונות על עץ החיים הצומח הפורח.
שימוש ב-1.8 מיליארד אותיות של קוד גנטי מיותר מ-9,500 מִין מכסה כמעט 8,000 סוגים ידועים של צמחים פורחים (כ-60%), הישג זה שופך אור חדש על ההיסטוריה האבולוציונית של צמחים פורחים ועלייתם לדומיננטיות אקולוגית על כדור הארץ.
בראשות מדענים מהגנים הבוטניים המלכותיים, קיו, צוות המחקר מאמין שהנתונים יסייעו בניסיונות עתידיים לזהות מינים חדשים, לחדד את סיווג הצמחים, לחשוף תרכובות רפואיות חדשות ולשמור על צמחים מול שינויי אקלים ואובדן המגוון הביולוגי.
אבן הדרך העיקרית למדע הצמחים, הכוללת 138 ארגונים בינלאומיים, נבנתה על פי 15 נתונים יותר מכל מחקרים דומים על עץ החיים הצומח הפורח. בין המינים שנרשמו למחקר זה, יותר מ-800 מעולם לא עברו את המינים שלהם DNA רצף לפני.
אתגרים ופתרונות טכנולוגיים
כמות הנתונים העצומה שנפתחה על ידי מחקר זה, שייקח למחשב בודד 18 שנים לעבד, היא צעד עצום לקראת בניית עץ חיים עבור כל 330,000 המינים הידועים של צמחים פורחים – משימה ענקית של יוזמת עץ החיים של קיו.
"ניתוח כמות הנתונים חסרת התקדים הזו כדי לפענח את המידע החבוי במיליוני רצפי DNA היה אתגר עצום. אבל זה גם הציע את ההזדמנות הייחודית להעריך מחדש ולהרחיב את הידע שלנו על עץ הצמח של החיים, ופתח חלון חדש לחקור את המורכבות של התפתחות הצמח", אמר אלכסנדר זונטיני, עמית מחקר בגנים הבוטניים המלכותיים, קיו.
טום קארות'רס, חוקר פוסט-דוקטורט במעבדתו של הביולוג האבולוציוני של UM, סטיבן סמית', הוא המחבר הראשי של המחקר יחד עם זונטיני, שאיתו עבד בעבר ב-Kew. מערכת הצמחים של UM, ריצ'רד רבלר, הוא מחבר שותף.
עץ החיים אנגיוספרם. קרדיט: RBG Kew
"צמחים פורחים מאכילים, מלבישים ומקבלים את פנינו בכל פעם שאנו נכנסים ליער. בנייתו של עץ חיים פורח היה אתגר ומטרה משמעותיים עבור תחום הביולוגיה האבולוציונית במשך יותר ממאה שנה", אמר סמית', מחבר שותף למחקר ופרופסור במחלקה לאקולוגיה וביולוגיה אבולוציונית של UM. "הפרויקט הזה מקרב אותנו ליעד הזה על ידי מתן מערך נתונים עצום עבור רוב הסוגים של הצמחים הפורחים ומציע אסטרטגיה אחת להשלמת מטרה זו."
לסמית היו שני תפקידים בפרויקט. ראשית, חברי המעבדה שלו – כולל הסטודנט לשעבר לתואר שני ב-UM דרו לארסון – נסעו לקיו כדי לעזור לרצף חברי קבוצת צמחים גדולה ומגוונת בשם Ericales, הכוללת אוכמניות, תה, הובנה, אזליאות, רודודנדרונים ואגוזי ברזיל.
שנית, סמית' פיקח על הניתוחים והבנייה של מערך הנתונים של הפרויקט יחד עם וויליאם בייקר ופליקס פורסט מהגנים הבוטניים המלכותיים, קיו, וולף אייזנהרדט מבית הספר. אוניברסיטת ארהוס.
"אחד האתגרים הגדולים ביותר איתם התמודד הצוות היה המורכבות הבלתי צפויה שבבסיס רבים מאזורי הגנים, שבהם גנים שונים מספרים היסטוריות אבולוציוניות שונות. היה צריך לפתח נהלים כדי לבחון את הדפוסים האלה בקנה מידה שלא נעשה קודם לכן", אמר סמית', שהוא גם מנהל התוכנית בביולוגיה ואוצר שותף באינפורמטיקה של המגוון הביולוגי ב-UM Herbarium.
תובנות חדשות לאבולוציה
כמנהיג שותף במחקר, תחומי האחריות העיקריים של קארות'רס כללו קנה המידה של העץ האבולוציוני לזמן באמצעות 200 מאובנים, ניתוח ההיסטוריות האבולוציוניות השונות של הגנים העומדים בבסיס העץ האבולוציוני הכולל, והערכת שיעורי הגיוון בשושלות צמחים פורחים שונים בזמנים שונים. .
"בניית עץ חיים גדול כל כך עבור צמחים פורחים, המבוסס על כל כך הרבה גנים, שופכת אור על ההיסטוריה האבולוציונית של הקבוצה המיוחדת הזו, ועוזרת לנו להבין איך הם הגיעו להיות חלק כל כך אינטגרלי ודומיננטי מהעולם", קראת'רס. אמר. "הקשרים האבולוציוניים המוצגים – והנתונים שבבסיסם – יהוו בסיס חשוב להרבה מחקרים עתידיים."
עץ החיים הצומח הפורח, בדומה לאילן היוחסין שלנו, מאפשר לנו להבין כיצד מינים שונים קשורים זה לזה. עץ החיים נחשף על ידי השוואת רצפי DNA בין מינים שונים כדי לזהות שינויים (מוטציות) המצטברים עם הזמן כמו תיעוד מאובנים מולקולרי.
ההבנה שלנו של עץ החיים משתפרת במהירות במקביל להתקדמות בטכנולוגיית רצף ה-DNA. לצורך מחקר זה פותחו טכניקות גנומיות חדשות ללכידה מגנטית של מאות גנים ומאות אלפי אותיות קוד גנטי מכל דגימה, בסדרי גודל יותר משיטות קודמות.
ארנריה גלובילפורה. קרדיט: RBG Kew
יתרון מרכזי בגישת הצוות הוא בכך שהיא מאפשרת 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 מדעיות של צמחים.
"במובנים רבים, גישה חדשנית זו אפשרה לנו לשתף פעולה עם הבוטנאים של העבר על ידי ניצול שלל הנתונים הכלואים בדגימות עשבוניות היסטוריות, שחלקן נאספו עוד בתחילת המאה ה-19", אמר בייקר. , מנהיג מחקר בכיר עבור יוזמת עץ החיים של קיו.
"קודמינו המהוללים, כמו צ'רלס דרווין או ג'וזף הוקר, לא יכלו לצפות כמה חשובות הדגימות הללו במחקר הגנומי כיום. DNA אפילו לא התגלה בימי חייהם. העבודה שלנו מראה עד כמה חשובים המוזיאונים הבוטניים המדהימים האלה למחקרים פורצי דרך של החיים על פני כדור הארץ. מי יודע אילו עוד הזדמנויות מדעיות שטרם התגלו טמונות בתוכם?"
בכל 9,506 המינים שרוצבו, יותר מ-3,400 הגיעו מחומר שמקורו ב-163 עשבים ב-48 מדינות.
"דגימת דגימות עשבונים לחקר יחסי צמחים הופכת דגימה רחבה מאזורים מגוונים בעולם להרבה יותר ריאלית מאשר אם היה צריך לנסוע כדי להשיג חומר טרי מהשטח", אמר Rabeler מ-U-M, מדען מחקר אמריטוס ואוסף לשעבר מנהל ב-UM Herbarium.
עבור פרויקט עץ החיים, Rabeler עזר לאמת את זהותם של דגימות עשבוניות שנבחרו לדגימה וניתח את הנתונים שהתקבלו.
צמחים פורחים לבדם מהווים כ-90% מכלל חיי הצמחים הידועים ביבשה והם נמצאים כמעט בכל מקום על פני כדור הארץ – מהאזורים הטרופיים המהבילים ביותר ועד למחשופי הסלע של חצי האי האנטארקטי. ובכל זאת, ההבנה שלנו לגבי האופן שבו הצמחים הללו הגיעו לשלוט בסצנה זמן קצר לאחר מוצאם מביכה מדענים במשך דורות, כולל דרווין.
מקורם של צמחים פורחים לפני יותר מ-140 מיליון שנה, ולאחר מכן הם עקפו במהירות צמחי כלי דם אחרים כולל קרוביהם החיים הקרובים ביותר – הג'מנוספרמים (צמחים לא פורחים שיש להם זרעים עירומים, כגון ציקדים, עצי מחט וגינקו).
דרווין היה המום מההופעה הפתאומית לכאורה של מגוון כזה בתיעוד המאובנים. במכתב משנת 1879 להוקר, איש אמונו הקרוב ומנהל הגנים הבוטניים המלכותיים, קיו, הוא כתב: "ההתפתחות המהירה ככל שאנו יכולים לשפוט את כל הצמחים הגבוהים בתקופה הגיאולוגית האחרונה היא תעלומה מתועבת."
באמצעות 200 מאובנים, המחברים הגדילו את עץ החיים שלהם לזמן, וחשפו כיצד צמחים פורחים התפתחו לאורך זמן גיאולוגי. הם גילו שצמחי פריחה מוקדמים אכן התפוצצו במגוון, והולידו יותר מ-80% מהשושלות העיקריות הקיימות היום זמן קצר לאחר מוצאם.
עם זאת, מגמה זו ירדה אז לקצב יציב יותר במשך 100 מיליון השנים הבאות עד לזינוק נוסף בגיוון לפני כ-40 מיליון שנה, במקביל לירידה עולמית בטמפרטורות. התובנות החדשות הללו היו מרתקות את דרווין ובוודאי יעזרו למדענים של ימינו להתמודד עם האתגרים של ההבנה כיצד ומדוע מינים מגוונים.
שיתוף פעולה גלובלי וגישה פתוחה
הרכבת עץ חיים כה נרחב הייתה בלתי אפשרית ללא המדענים של קיו שישתפו פעולה עם שותפים רבים ברחבי העולם. בסך הכל, 279 מחברים היו מעורבים במחקר, המייצגים לאומים רבים ושונים מ-138 ארגונים ב-27 מדינות.
"לקהילת הצמחים יש היסטוריה ארוכה של שיתוף פעולה ותיאום רצף מולקולרי כדי ליצור עץ חיים מקיף וחזק יותר. המאמץ שהוביל למאמר זה נמשך במסורת הזו אך מתרחב בצורה משמעותית למדי", אמר סמית' מ-U-M.
לעץ החיים הצומח הפורח יש פוטנציאל עצום בחקר 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 יקרי ערך לשיפור תחומי מדע רבים ומעבר לכך.
כדי לאפשר זאת, העץ וכל הנתונים העומדים בבסיסו הפכו לנגישים באופן גלוי וחופשי הן לציבור והן לקהילה המדעית, כולל דרך סייר עץ החיים של Kew.
גישה פתוחה תעזור למדענים לעשות את השימוש הטוב ביותר בנתונים, כגון שילובם עם בינה מלאכותית כדי לחזות אילו מיני צמחים עשויים לכלול מולקולות בעלות פוטנציאל רפואי.
באופן דומה, ניתן להשתמש בעץ החיים כדי להבין ולחזות טוב יותר כיצד מזיקים ומחלות ישפיעו על צמחים בעתיד. בסופו של דבר, מציינים המחברים, היישומים של נתונים אלה יונעו על ידי כושר ההמצאה של המדענים שניגשו אליהם.
