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植物园领导者之路 | 植物科学的社会影响 精选

已有 3944 次阅读 2024-2-9 17:07 |个人分类:研究随笔|系统分类:观点评述

【按】邱园的科学愿景是记录和了解全球植物和真菌的多样性及其用途,利用权威的专业知识应对当今人类面临的严峻挑战。丰富的科学收藏、数据库、科学专业知识和全球合作伙伴关系使植物园能够为植物和真菌领域的研究、保护和培训做出宝贵的贡献,促进解决了全球面临的一些最大挑战。

弥合差距:利用系统发育研究对现实世界产生影响

系统发育研究彻底改变了我们对植物进化和生物多样性的理解。在为这一领域做出贡献的先驱机构中,邱园站在最前沿。凭借其对分类学的根深蒂固的承诺和广泛的专业知识,邱园的被子植物系统发育组(APG)和植物和真菌生命之树(PAFTOL)计划有可能产生远远超出学术界的变革性影响。

1 被子植物系统发育组(APG

1.1. 定义植物关系 APG是国际专家的共同努力,为科学界对被子植物关系的理解带来了前所未有的清晰度。通过定期更新 APG 分类系统,邱园 确保世界各地的研究人员、教育工作者和环保主义者都能轻松获得这些知识。

1.2. 在植物保护中的应用 利用 APG 的见解,邱园可以帮助保护组织有效地确定其工作的优先级。系统发育树有助于识别易灭绝的物种,从而实现有针对性的保护策略。通过与全球合作伙伴合作,邱园可以为保护我们星球丰富的植物遗产做出贡献。

1.3. 实际意义 通过APG,邱园为园艺家、农户和育种者提供重要信息。通过了解植物之间的进化关系,育种者可以开发具有增强性状的新作物品种,提高农业生产力和可持续性。

2 植物和真菌生命树 PAFTOL

2.1. 绘制基因组成图 PAFTOL旨在为世界上所有的植物和真菌创造一个全面的基于基因的生命树。通过了解各种生物的基因组成和进化关系,PAFTOL为广泛的应用奠定了基础。

2.2. 药物发现 探索植物和真菌谱系中巨大的遗传多样性可以导致新药物的发现。PAFTOL使研究人员能够确定新候选药物的潜在来源,为生物医学进步提供可能性的宝库。

2.3. 保护和生态见解: PAFTOL 的工作超越了传统的分类学。通过采用高通量DNA测序技术,研究人员可以准确识别植物和真菌物种,从而有助于保护工作并增强我们对生态系统动态的理解。这些知识对于应对栖息地丧失和气候变化等关键环境挑战至关重要。

APGPAFTOL的推动下,邱园的系统发育研究为产生现实世界的影响提供了巨大的机会。通过传播准确的分类信息,支持保护工作,并为发现新型药物做出贡献,邱园正在成为弥合科学研究和实际应用之间差距的领跑者。很明显,邱园对系统发育研究的承诺将继续塑造我们对植物世界的理解,并推动学术界以外的积极变化。

 

3 建立新的植物分类系统 

概要:自分子时代开始以来,邱园就在基于 DNA 的植物 家谱 研究中发挥着主导作用。在以 DNA 为基础构建植物 家族树 研究中一直处于领先地位。邱园对植物之间的关系及其起源有了惊人的发现——这门科学被称为植物系统发育学。自 1998 年 随着被子植物系统发育组(APG)分类系统的公布,科学界有了一个根本性的研究工具来了解被子植物(开花植物)及其进化历史的重要研究工具。从那时起,邱园全球其他科学家合作,定期对 APG 系统进行修订。2016 年出版的最新版本已被全球科学家广泛采用,成为纯研究和许多不同应用研究领域的重要框架。

 为了有效地研究或利用现有的成千上万种开花植物,需要有一个系统来对它们进行排序。 现代分类学之父 卡尔·林奈(Carl Linnaeus)在《植物种志》(1753 年)尝试用花的雌雄对有花植物进行分类。即使在当时,他也意识到这是一个人为的系统,许多不相关的植物被归为同一类。两个世纪后,人们根据植物的外观对其进行了多种分类,但在使用哪些特征方面却鲜有共识。

20 世纪 90 年代,DNA 测序技术的进步带来了突破性进展,APG 分类系统应运而生。在 2016 年发布第四次修订版之后,APG 系统现在几乎被全球学术界一致采用。这是因为它反映了基于植物进化史的自然分类。

APG 系统的影响 

APG 系统的影响远远超出了学术界的范围,延伸进入到了应用研究和教育领域。公众甚至可以在重新布置植物园的花坛和流行的植物书籍中看到

教育 

下一代植物科学家在接受培训之初就已经熟悉了 APG 分类系统,因为现在本科生的教科书中就有这种分类法,如雷文Peter H. Raven及其同事所著的经典著作《植物生物学》(第 8 版)。同时,普通大众也可以找到几本参考、解释和使用 APG 系统的通俗读物:M. ChristenhuszM. F. Fay M. W. Chase 所著的世界植物:维管束植物科图解百科全书The Plants of the World: An Illustrated Encyclopedia of Vascular Plant Families邱园出版社 2018 年版),该书主要基于邱园的系统发育研究;以及 C. A. Stace 所著的《不列颠群岛新植物志》(New Flora of the British Isles),该书是鉴定不列颠群岛植物的最权威著作。

植物园

APG系统和系统发生学越来越多地成为植物园展示活体植物藏的基础。例如,使用APG 系统的邱园阿吉乌斯进化花园于 2019 5 月开放。牛津大学、剑桥大学和布里斯托尔大学等其他植物园也都有使用APG系统排列的系统发育分类。邱园、牛津大学、剑桥大学和莱顿大学正在按照 APG 系统对标本馆等其他参考馆藏进行重组调整

保护科学

世界自然保护联盟 (IUCN) 采用了 APG 系统,系统发育信息也用于保护规划和物种优先排序。

开发新作物、药物和食品

了解作物物种与其野生近缘种之间的关系,可以让植物育种者在开发新作物时先拔头筹。山药和咖啡就是系统发生学有助于育种和保护的两种作物案例。同样,工业界在开发新食品和医药产品时也经常需要了解系统发生学。我们的一些行业合作伙伴(宝洁公司、博茨公司和联合利华公司)签订的协议中特别提到了系统发育知识的重要性。 植物和真菌生命树 项目(PAFTOL)的一个衍生产品是一个包含 353 个基因的工具包,可用于研究开花植物的系统发育学,该工具包已作为商业产品推向市场。

研究背景 

传统上,被子植物(开花植物)的分类主要基于形态、解剖和生化信息。换句话说,植物是根据其形态、结构和所含化学成分进行分类的。对这些证据的不同解释导致了相互竞争的分类系统,不同的机构和个人遵循着不同的分类系统。

DNA 测序技术的发展提供了新的信息,彻底改变了进化研究和对系统发育关系的理解,并最终为基于 DNA 的分类提供了基础。1993 年,邱园的马克W蔡斯教授Mark W. Chase发表了关于植物分类的一项最具影响力和开创性的研究报告。这项被子植物系统发育分析产生了许多意想不到的结果,并与后续工作一起,成为 1998 年出版的被子植物系统发育组(Angiosperm Phylogeny GroupAPG)分类第一版的基础。该分类法的后续版本陆续出版,每一个版本都根据在此期间发表的研究成果对前一个版本进行了完善;最近一次修订是在 2016 年。APG 系统在很大程度上被视为唯一最权威的有花植物分类系统。

作为 2015-2020 年科学战略的一部分,我们已着手开展一项大型系统发生学工作,即 植物和真菌生命 项目(PAFTOL),旨在为植物(约 14,000 个属)和真菌(约 8,000 个属)的每个属提供至少一个物种的基因组规模数据。为了实现这一目标,我们采用了一种针对所有被子植物基因组特定区域测序的方法。使用这种方法已经对超过 25% 的被子植物属进行了测序,并重建了第一批系统树。为这项工作设计的探针集目前已在市场上销售,并已广泛应用。

下一步什么?

虽然 2016 年版的 APG 系统并非最终版本,但变化数量的减少意味着重新组织采集以反映变化的难度正在降低。由此产生的系统比以前的分类系统更具有可预测性,因为所认可的类别反映了有花植物的进化关系。

 

概览 At-a-glance

- 合作

20 世纪 90 年代初,首次基于 DNA 序列对有花植物进行了大规模分析。这是大量科学家合作收集相同基因序列的第一个主要类群,以便将数据进行合并。

- 1993 里程碑

马克蔡斯和 41 位合著者发表了对 499 种种子植物的分析报告。 这篇论文基于参与光合作用的一个主要基因的序列。

- 重新思考家族谱系关系

研究结果既有意料之中的,也有意料之外的。例如,单子叶植物(如禾本科植物)仍然作为一个类群出现,但双子叶植物(如豆科植物)却不是。一些以前从未被认为有亲缘关系的科彼此靠近。例如,莲科(Nelumbo)与梧桐科(Platanus)和山龙眼科(Proteaceae)的关系就很近。

- APG 系统

在接下来的几年中,我们收集了其他 DNA 区域的等效数据集。所有数据的结果都非常相似。主要基于 DNA 序列的分类方法于 1998 年公布,称为 系统发育组(Angiosperm Phylogeny Group分类,简称 APG分类系统

APG 分类系统在很大程度上被视为唯一最权威的有花植物分类系统

扩展阅读

Angiosperm Phylogeny Group (2016). An update of the Angiosperm Phylogeny Group classification for the orders and families of flowering plants: APG IV. Botanical Journal of the Linnean Society 181: 1–20.

Chase, M. W., Soltis, D. E., Olmstead, R. G., Morgan, D., Les, D. H., Mishler, B. D., Duvall, M. R., Price, R. A., Hills, H. G., Qiu, Y.-L., Kron, K. A., Rettig, J. H., Conti, E., Palmer, J. D., Manhart, J. R., Sytsma, K. J., Michaels, H. J., Kress, W. J., Karol, K. G., Clark, W. D., Hedren, M., Gaut, B. S., Jansen, R. K., Kim, K.-J., Wimpee, C. F., Smith, J. F., Furnier, G. R., Strauss, S. H., Xiang, Q.-Y., Plunkett, G. M., Soltis, P. S., Swensen, S. M., Williams, S. E., Gadek, P. A., Quinn, C. J., Eguiarte, L. E., Golenberg, E., Learn Jr, G. H., Graham, S. W., Barrett, S. C. H., Dayanandan, S. & Albert, V. A. (1993). Phylogenetics of seed plants: an analysis of nucleotide sequences from the plastid gene rbcL. Annals of the Missouri Botanical Garden 80: 528–80.

Baker, W. J., Bailey, P., Barber, V., Barker, A., Bellot, S., Bishop, D., . . . Forest, F. (2021). A Comprehensive Phylogenomic Platform for Exploring the Angiosperm Tree of Life. Systematic Biology, 71(2), 301-319.



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