Het ontsluiten van historische herbariumspecimens voor baanbrekend onderzoek

De bloeiende levensboom stelt ons, net als onze eigen stamboom, in staat te begrijpen hoe verschillende soorten met elkaar verwant zijn. De levensboom wordt blootgelegd door DNA-sequenties van verschillende soorten te vergelijken om veranderingen (mutaties) te identificeren die zich in de loop van de tijd ophopen, zoals een moleculair fossielenbestand.

Ons begrip van de levensboom verbetert snel, samen met de vooruitgang in de DNA-sequencing-technologie. Voor dit onderzoek zijn nieuwe genomische technieken ontwikkeld om honderden genen en honderdduizenden letters van de genetische code uit elk monster magnetisch vast te leggen, een orde van grootte meer dan eerdere methoden.

Een belangrijk voordeel van de aanpak van het team is dat het mogelijk is een grote diversiteit aan plantaardig materiaal, oud en nieuw, te sequencen, zelfs als het DNA ernstig beschadigd is. De enorme schatten aan gedroogd plantmateriaal in de herbariumcollecties van de wereld, die bijna 400 miljoen wetenschappelijke exemplaren van planten omvatten, kunnen nu genetisch worden bestudeerd.

Met behulp van dergelijke exemplaren heeft het team met succes de sequentie van een zandkruidmonster (Arenaria globiflora) dat bijna 200 jaar geleden in Nepal werd verzameld, gesequenced en ondanks de slechte kwaliteit van het DNA in de boom des levens kunnen plaatsen.

Het team analyseerde zelfs uitgestorven planten, zoals de Guadalupe-olijfboom (Hesperelaea palmeri), die sinds 1875 niet meer levend is gezien. In feite lopen 511 van de gesequenced soorten al het risico van uitsterven, volgens de Rode Lijst van de IUCN, waaronder nog drie zoals Hesperelaea die al zijn uitgestorven.

Professor William Baker, senior onderzoeksleider bij Tree of Life, zegt:‘In veel opzichten heeft deze nieuwe aanpak ons ​​in staat gesteld samen te werken met de botanici uit het verleden door gebruik te maken van de rijkdom aan gegevens die zijn opgesloten in historische herbariumspecimens, waarvan sommige al in het begin van de 19e eeuw verzameld.

"Onze illustere voorgangers zoals Charles Darwin en Joseph Hooker hadden niet kunnen voorzien hoe belangrijk deze exemplaren vandaag de dag zouden zijn in het genomisch onderzoek. DNA werd tijdens hun leven niet eens ontdekt!

"Ons werk laat zien hoe belangrijk deze ongelooflijke botanische musea zijn voor baanbrekende studies naar het leven op aarde. Wie weet welke andere onontdekte wetenschappelijke mogelijkheden er in liggen?"

Van alle 9.506 gesequenced soorten waren er ruim 3.400 afkomstig van materiaal afkomstig van 163 herbaria in 48 landen. Aanvullend materiaal uit plantencollecties over de hele wereld (bijvoorbeeld DNA-banken, zaden, levende collecties) is van cruciaal belang geweest voor het opvullen van belangrijke kennislacunes en om nieuw licht te werpen op de geschiedenis van de evolutie van bloeiende planten. Het team profiteerde ook van openbaar beschikbare gegevens voor meer dan 1.900 soorten, wat de waarde van de open science-benadering voor toekomstig genomisch onderzoek benadrukt.

Het afschuwelijke mysterie van Darwin verhelderen

Alleen al bloeiende planten zijn goed voor ongeveer 90% van al het bekende plantenleven op het land en zijn vrijwel overal op de planeet te vinden – van de meest vochtige tropen tot de rotspartijen van het Antarctisch Schiereiland. En toch heeft ons begrip van hoe deze planten kort na hun oorsprong het toneel gingen domineren, wetenschappers generaties lang verbijsterd, waaronder Charles Darwin.

Bloeiende planten ontstonden meer dan 140 miljoen jaar geleden, waarna ze snel andere vaatplanten inhaalden, inclusief hun naaste levende verwanten:de gymnospermen (niet-bloeiende planten met naakte zaden, zoals cycaden, coniferen en ginkgo).

Darwin was verbijsterd door de schijnbaar plotselinge verschijning van een dergelijke diversiteit in het fossielenbestand. In een brief uit 1879 aan Joseph Dalton Hooker, zijn naaste vertrouweling en directeur van RBG Kew, schreef hij:"De snelle ontwikkeling van alle hogere planten in recente geologische tijden, voor zover wij kunnen beoordelen, is een afschuwelijk mysterie."

Met behulp van 200 fossielen hebben de auteurs hun levensboom op de tijd geschaald en onthulden hoe bloeiende planten zich in de geologische tijd ontwikkelden. Ze ontdekten dat vroegbloeiende planten inderdaad in diversiteit explodeerden, waardoor ruim 80% van de belangrijkste geslachten die vandaag de dag bestaan, kort na hun oorsprong ontstonden.

Deze trend daalde vervolgens echter naar een stabieler tempo gedurende de volgende 100 miljoen jaar, totdat ongeveer 40 miljoen jaar geleden een nieuwe golf van diversificatie plaatsvond, die samenviel met een mondiale temperatuurdaling. Deze nieuwe inzichten zouden Darwin hebben gefascineerd en zullen de hedendaagse wetenschappers zeker helpen worstelen met de uitdagingen van het begrijpen hoe en waarom soorten diversifiëren.

Een werkelijk mondiale samenwerking

Het samenstellen van een levensboom van deze omvang zou onmogelijk zijn geweest zonder de samenwerking van de wetenschappers van Kew met vele partners over de hele wereld. In totaal waren er 279 auteurs bij het onderzoek betrokken, die veel verschillende nationaliteiten vertegenwoordigden, afkomstig van 138 organisaties in 27 landen. Onder hen bevindt zich het Genomics for Australian Plants (GAP)-consortium, dat de technieken van het team als eerste toepaste en nauw samenwerkte met Kew om het aantal Australische plantensoorten in de boom te maximaliseren.

Internationale medewerkers deelden ook hun unieke botanische expertise, evenals vele kostbare plantenmonsters van over de hele wereld die zonder hun hulp niet zouden kunnen worden verkregen. Het veelomvattende karakter van de boom is voor een groot deel het resultaat van deze prachtige samenwerking.

Dr. Mabel Lum, programmamanager bij Bioplatforms Australia en van het GAP-consortium, zegt:"We zijn er trots op een belangrijke partner en medewerker te zijn in de inspanningen van RBG Kew om een ​​mondiale onderzoeksinfrastructuur op te bouwen om ons begrip van de bloeiende levensboom te vergroten. Dit vruchtbare samenwerking onderstreepte onze toewijding aan het bevorderen van innovatie en samenwerking in wetenschappelijk onderzoek, en bood een springplank voor toekomstige ontdekkingen die ons begrip van de natuurlijke wereld voor toekomstige generaties zullen helpen vormgeven."

De levensboom goed gebruiken

De bloeiende levensboom heeft een enorm potentieel in onderzoek naar biodiversiteit. Dit komt omdat, net zoals je de eigenschappen van een element kunt voorspellen op basis van zijn positie in het periodiek systeem, de locatie van een soort in de levensboom ons in staat stelt zijn eigenschappen te voorspellen. De nieuwe gegevens zullen dus van onschatbare waarde zijn voor het verbeteren van veel wetenschapsgebieden en daarbuiten.

Om dit mogelijk te maken, zijn de boom en alle gegevens die eraan ten grondslag liggen openlijk en vrij toegankelijk gemaakt voor zowel het publiek als de wetenschappelijke gemeenschap, onder meer via de Kew Tree of Life Explorer. De auteurs van het onderzoek zijn van mening dat een dergelijke open toegang de sleutel is tot het democratiseren van de toegang tot wetenschappelijke gegevens over de hele wereld.

Open toegang zal wetenschappers ook helpen de gegevens optimaal te gebruiken, bijvoorbeeld door deze te combineren met kunstmatige intelligentie om te voorspellen welke plantensoorten mogelijk moleculen met medicinale potentie bevatten. Op dezelfde manier kan de levensboom worden gebruikt om beter te begrijpen en te voorspellen hoe plagen en ziekten de planten in Groot-Brittannië in de toekomst zullen beïnvloeden. Uiteindelijk, zo merken de auteurs op, zullen de toepassingen van deze gegevens worden aangedreven door de vindingrijkheid van de wetenschappers die er toegang toe hebben.

Dr. Melanie-Jayne Howes, senior onderzoeksleider bij RBG Kew, die geen auteur van het onderzoek was, maar de gegevens in haar onderzoek zal gebruiken, zegt:"Plantchemicaliën hebben veel farmaceutische medicijnen geïnspireerd, maar hebben nog steeds een groot onaangeboord potentieel om helpen bij de toekomstige ontdekking van medicijnen. De uitdaging is om te weten welke wetenschappelijk onderzocht moet worden bij de zoektocht naar nieuwe medicijnen uit de ca. 330.000 bloeiende plantensoorten.

"Bij Kew passen we AI toe om te voorspellen welke plantensoorten chemicaliën bevatten met farmaceutisch potentieel voor malaria. De beschikbaarheid van deze enorme nieuwe dataset biedt opwindende mogelijkheden om deze voorspellingen te verbeteren en zo de ontdekking van geneesmiddelen uit planten voor malaria en andere ziekten te versnellen."

Opmerkelijke soort in de bloeiende levensboom

• Uitgestorven als gevolg van wilde geiten:Hesperelaea palmeri, ook bekend als Guadalupe-eilandolijf (olivo de la Isla de Guadalupe). Gevolgd uit een herbariumspecimen in Kew, verzameld op Guadalupe Island, bij Baja California, Mexico in 1875 door arts Edward Palmer. Deze boom behoort tot de olijvenfamilie (Oleaceae) en is nu uitgestorven vanwege overbegrazing door niet-inheemse geiten.

• Oudste exemplaar waarvan de sequentie is bepaald:Arenaria globiflora, ook bekend als Nepalees zandkruid. Gevolgd uit een herbariumspecimen in Kew, verzameld in 1829 door Nathaniel Wallich. Dit opmerkelijke exemplaar is afkomstig van een bergplant uit de Himalaya die op meer dan 3600 meter hoogte groeit.

• Het mysterie van de parasitaire plantenfamilie opgelost:Pilostyles aethiopica, lid van de stengelzuigerfamilie (Apodanthaceae). Gesequenced uit plantenweefsel dat in 2012 in Zimbabwe werd verzameld door Kew's Sidonie Bellot. Deze vreemde parasiet leeft in de takken van andere planten en is alleen zichtbaar als hij tot bloei komt. Eerder werd gedacht dat hij nauw verwant was aan pompoenen en begonia's (Cucurbitales), maar uit onderzoek bleek dat hij in de groep Malpighiales zit.

• Bizarre tropische boom opnieuw geclassificeerd:Medusanthera laxiflora, lid van de buffelbeukfamilie (Stemonuraceae). Gevolgd uit een herbariumspecimen in Kew, verzameld in Indonesisch Nieuw-Guinea in 1993. Deze kleine tropische boom met bizarre pinvruchten werd voorheen geclassificeerd onder de hulstfamilie. De nieuwe levensboom heeft zijn geslacht en familie opnieuw geclassificeerd in een geheel nieuwe orde.

• Bamboe van Hookers Himalaya-expeditie in de jaren 1850:Cephalostachyum capitatum, lid van de grasfamilie (Poaceae). Gevolgd uit een herbariumspecimen dat in 1850 in India werd verzameld door Joseph Hooker, de tweede directeur van RBG Kew, en zijn vriend Thomas Thomson.

• Voor het eerst de sequentie van de geneeskrachtige plant bepaald:Alstonia spectabilis, door de Tetun-bevolking ook bekend als Kroti metan. Gevolgd uit een herbariumspecimen in Kew, verzameld in Papoea-Nieuw-Guinea in 1954. Deze enorme, 20 meter hoge boom wordt gevonden in de regenwouden van Zuidoost-Azië en Australië. Ondanks dat het medicinaal belangrijk is voor de Tetun-bevolking van West-Timor om malaria te behandelen, en een waardevolle bron van hout is, is het DNA ervan nog nooit eerder bepaald.

Meer informatie: Zuntini, A.R., Carruthers, T. et al, Phylogenomics and the rise of the angiosperms, Natuur (2024). www.nature.com/articles/s41586-024-07324-0

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Royal Botanic Gardens, Kew