מחקר פורץ דרך ממפה את היחסים הגנטיים של למעלה מ-9,500 מיני צמחים פורחים, ויוצר עץ חיים מתקדם שמשפר את הבנתנו את ההיסטוריה האבולוציונית שלהם ואת השימושים הפוטנציאליים שלהם בתחומים מדעיים שונים. קרדיט: twoday.co.il.com
עץ החיים הגדול ביותר אי פעם לצמחים פורחים נבנה על ידי רצף של DNA של יותר מ-9,500 מִיןמתאר את הקשרים האבולוציוניים והגנטיים בין הצמחים הללו.
מחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת טֶבַע, שנכתב על ידי צוות בינלאומי של 279 חוקרים, כולל שלושה מדענים מהגן הבוטני של ניו יורק (NYBG), מציע את התובנות העדכניות ביותר לגבי הקשרים האבולוציוניים והגנטיים בין צמחים פורחים. צמחים אלה מהווים כ-90 אחוז מכל מיני הצמחים הידועים.
באמצעות 1.8 מיליארד אותיות של קוד גנטי מלמעלה מ-9,500 מינים המכסים כמעט 8,000 סוגים של צמחים (קבוצות של מינים קרובים), צוות המחקר הצליח ליצור את עץ החיים המפורט ביותר – תיאור גרפי של יחסי מין בדומה לאילן יוחסין גנאלוגי. – עד היום עבור קבוצת צמחים זו, שופך אור חדש על ההיסטוריה האבולוציונית של צמחים פורחים ועלייתם לדומיננטיות אקולוגית על כדור הארץ. מחברי המחקר מאמינים שהנתונים יסייעו בניסיונות עתידיים לזהות מינים חדשים, לחדד את סיווג הצמחים, לחשוף תרכובות רפואיות חדשות ולשמור על צמחים מול המגוון הביולוגי הכפול ומשברי האקלים.
תרמו לציון דרך מרכזי זה במדעי הצמחים פביאן מיכלאנג'לי, Ph.D., אבסס אוצר לבוטניקה טרופית ומנהל המכון לבוטניקה שיטתית של NYBG; גרגורי מ. פלנקט, Ph.D., מנהל ואוצר של תוכנית קולמן של NYBG לשיטתיות מולקולרית; וג'ון ד' מיטשל, מדען קשור ל-NYBG.
צוות בינלאומי של חוקרים, כולל שלושה מדעני הגן הבוטני של ניו יורק (NYBG), השתמש בקוד גנטי של יותר מ-9,500 מיני צמחים פורחים כדי ליצור את עץ החיים האבולוציוני המפורט ביותר עבור קבוצת צמחים זו עד כה. קרדיט: RBG Kew
"בעוד שהמטרות העיקריות של הפרויקט בקנה מידה גדול זה היו להבין את מערכות היחסים של כל סוגים של צמחים פורחים, הוא גם שופך אור על העיתוי של אירועים מרכזיים באבולוציה של צורות פרחים מורכבות ותולדות חיים", אמר ד"ר מיכלאנג'לי. "ניתוחים גדולים כמו זה יכולים לספק הקשר לאסטרטגיות שימור, חקלאות בת קיימא, ויישומים רבים אחרים הזקוקים לידע בסיסי על המגוון הביולוגי. ההבנה כיצד אורגניזמים קשורים היא אבן הבניין של כל המדע והיישומים של המגוון הביולוגי."
צוות המחקר – בראשות הגנים הבוטניים המלכותיים, קיו, ומערב 138 ארגונים בינלאומיים – השתמש פי 15 בנתונים מכל מחקר מקביל על עץ החיים הצומח הפורח. בין המינים שנכללו במחקר, ה-DNA של יותר מ-800 מעולם לא נרשם קודם לכן. 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.
דרס. מיכלאנג'לי ופלונקט ומר מיטשל סיפקו מומחיות על משפחות הצמחים שהם חוקרים וכן דגימות שזוהו במומחיות עבור מגוון קבוצות צמחים, כאשר חלק גדול מגיע ממשפחת הצמחים הטרופיים Melastomataceae, שהיא המומחיות של ד"ר מיכלאנג'לי, והן. משפחות Apiaceae (פטרוזיליה או גזר) ו-Araliaceae (ג'ינסנג), אותן חוקר ד"ר פלנקט.
פתיחת דגימות עשבוניות היסטוריות למחקר חדשני
עץ החיים הצומח הפורח, בדומה לעץ משפחה, מאפשר למדענים 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 של המדע לגבי 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.
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 גנטית את שכיות האוצר העצומות של צמחים מיובשים ומשומרים באוספים של עשבי תיבול בעולם, הכוללים כמעט 400 מיליון דגימות. תוך שימוש בדגימות כאלה, הצוות רשם בהצלחה רצף חול (ארנריה גלוביפלורה) נאסף לפני כמעט 200 שנה בנפאל ולמרות האיכות הירודה של ה-DNA שלו, הצליחו למקם אותו על עץ החיים. הצוות אפילו ניתח צמחים שנכחדו, כמו למשל הזית של האי גואדלופה (Hesperelaea palmeri), שלא נראתה בחיים מאז 1875. למעשה, 511 מהמינים שנרשמו כבר נמצאים בסכנת הכחדה, על פי הרשימה האדומה, האוסף הסמכותי של מיני הצמחים, הפטריות ובעלי החיים המאוימים בעולם המתוחזק על ידי הבינלאומי האיגוד לשימור הטבע.
בכל 9,506 המינים שרוצבו, למעלה מ-3,400 הגיעו מחומר שמקורו ב-163 עשבים ב-48 מדינות. חומר נוסף מאוספי צמחים ברחבי העולם כמו בנקי DNA, זרעים ואוספים חיים היו חיוניים למילוי פערי ידע מרכזיים כדי לשפוך אור חדש על ההיסטוריה של התפתחות הצמח הפורח. הצוות גם נהנה מנתונים זמינים לציבור עבור למעלה מ-1,900 מינים, המדגישים את הערך של גישת המדע הפתוח למחקר גנומי עתידי.
מאיר את "המסתורין המתועב" של דרווין
צמחים פורחים 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 כיצד הצמחים הללו הגיעו לשלוט בסצנה זמן קצר לאחר מוצאם מביכה מדענים במשך דורות, כולל צ'ארלס דרווין. מקורם של צמחים פורחים לפני למעלה מ-140 מיליון שנה, ולאחר מכן הם עקפו במהירות צמחים כלי דם אחרים, כולל קרוביהם החיים הקרובים ביותר – הג'מנוספרמים, צמחים לא פורחים שיש להם זרעים עירומים כמו ציקדים, עצי מחט וגינקו.
דרווין היה המום מההופעה הפתאומית לכאורה של מגוון כזה בתיעוד המאובנים. במכתב משנת 1879 לג'וזף דלטון הוקר, 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, החוקרים הגדילו את עץ החיים שלהם לזמן, וחשפו כיצד צמחים פורחים התפתחו לאורך זמן גיאולוגי. הם גילו שצמחי פריחה מוקדמים התפוצצו במגוון, והולידו למעלה מ-80 אחוז 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.
הרכבת עץ חיים כה נרחב הייתה בלתי אפשרית ללא שיתוף הפעולה של מדענים מכל העולם. בסך הכל, 279 מחברים היו מעורבים במחקר, המייצגים לאומים רבים ושונים מ-138 ארגונים ב-27 מדינות. משתפי פעולה בינלאומיים שיתפו את המומחיות הבוטנית הייחודית שלהם, כמו גם דגימות צמחים יקרות ערך מרחבי העולם שלא ניתן היה להשיג ללא עזרתם. האופי המקיף של העץ הוא לא מעט תוצאה של שותפות רחבה זו.
"מאמצים כמו זה מראים כיצד הקהילה המדעית הבינלאומית יכולה להתאחד כדי לשתף פעולה ולייצר משהו שאף קבוצת מחקר או מוסד אחד לא יכול לעשות לבד", אמר ד"ר מיכלאנג'לי.
שימוש טוב בעץ הצמח הפורח
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 למדענים 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, לרבות באמצעות סייר עץ החיים Kew. מחברי המחקר מאמינים שגישה פתוחה כזו היא המפתח לדמוקרטיזציה של גישה לנתונים מדעיים ברחבי העולם.
גישה פתוחה תסייע גם 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 עלולים להשפיע על הצמחים בעולם בעתיד. בסופו של דבר, מציינים המחברים, יישומי הנתונים יונעו על ידי כושר ההמצאה של מדענים.
