Hernán A. Burbano Rafal M. Gutaker ,Ancient DNA genomics and the renaissance of herbaria.Science382,59-63(2023).DOI:10.1126/science.adi1180

古代DNA从根本上改变了我们对许多动植物以及我们自己的进化史的理解。它揭示了我们基因组中从古人类遗传而来的区域，让我们深入了解过去的生态系统，并揭示了生命之树上灭绝的物种和种群。每个古代 DNA 样本都是某个地点和时间的定格画面，让人们可以一睹过去的风采。更好地了解现代人遗传的 DNA（有时更重要的是，了解未遗传的 DNA）可以让我们了解许多进化过程，包括适应、物种形成和驯化。

照片：邱园皇家植物园

随着古代 DNA 领域的成熟，对过去动植物的研究有助于阐明不断变化的生态景观，以及我们在这些变化中的作用。当人类研究以合乎道德和负责任的方式进行时，我们就可以重新发现历史上丢失或抹去的故事，从而有可能将现代人与历史亲属重新联系起来。然而，除了这些重点研究之外，古 DNA 的技术限制仍不清楚。尽管捕获古代DNA的方法已经有了很大改进，但DNA在不同气候和条件下的环境损害中能够存在多久仍然是一个悬而未决的问题。

尽管我们永远无法全面了解过去，但对古 DNA 的研究仍在继续揭示生物体历史中以前未知的方面。本期Science专刊探讨了当今古 DNA 研究方式的变化，包括以前未开发的来源、技术的进步和伦理挑战，以及我们通过古 DNA 对自己的了解。

植物标本馆标本不仅包含生物材料，还包含其原始收藏的笔记。照片：邱园皇家植物园

植物标本馆正在经历复兴，作为探索植物进化、生态和多样性的基因组数据的宝贵来源。从植物标本中分析到的古代 DNA 可以让我们前所未有地了解过去的植物群落、它们与生物和非生物因素的相互作用，以及随着时间的推移发生的遗传变化。在这里重点介绍植物标本基因组学领域的最新进展，并讨论将现代标本和带有时间点的历史标本数据结合起来所面临的挑战和机遇。作者还描述了如何将植物标本馆基因组学数据与其他数据类型相结合，从而深入了解塑造植物群落的进化和生态过程。


植物标本基因组学对分类学和进化研究的贡献

分类和宏观演化的推理

测序数据与形态学数据的整合大大提高了我们将植物分组为分类单位的能力。在植物学中，物种的定义来自于模式标本，模式标本最初用于描述物种的特征。一旦确定了模式标本的遗传组成，就可以仅使用分子特征来鉴定新收集的植物物种。

植物标本馆收藏的物种和地理范围广泛且多样，否则在当代研究项目的时间范围内是无法获得的。这对于植物和真菌生命之树等大规模系统发育项目特别有用，其中超过 28% 的分析类群是从植物标本中取样，并使用富集捕获测序方法进行评估。

保存 DNA 提取来源材料的永久记录也很重要。因此，大型生物基因组项目，例如旨在为大量物种构建参考基因组组件的达尔文生命之树项目，已与为植物分类群测序生成凭证植物标本的机构合作。


追踪野生植物的进化史

植物标本馆收藏提供了宝贵的时空数据，用于研究植物对全球环境变化反应的遗传机制，包括现代农业实践的影响 。随着全球流动和贸易的不断加强，植物越来越多地进行长距离运输，增加了引入非本地物种并演变成入侵物种的可能性。传统上，植物标本馆标本被用作记录第一批定殖植物的备份（图 1）。来自时间序列的植物标本可以分析入侵生物学的假设，并确定表型性状的变化是否是基因编码的。

图1 . 植物标本馆标本的采样范围涵盖了人类对环境影响加剧的时期。


近期作物演化的时间机器

与野生植物一样，我们可以使用带时间点的作物植物标本来解决有关其迁徙、适应和遗传多样性变化的许多重要问题。作物标本馆跨越了超过 500 年的历史，初步证据表明，从番茄标本中检索到的最古老的 DNA 序列可追溯到 ∼1558 年。

过去250年来，农业生产力不断提高。从1700年代末英国农业革命到1900年代中期拉丁美洲、南亚和东南亚的绿色革命，新的农业实践伴随着新作物品种的采用（图1）。尽管普遍假设这些过程对作物的遗传多样性产生有害影响，但种子库材料的测序分析几乎没有提供支持大规模遗传多样性丧失的证据。对植物标本馆中带有时间戳的作物进行基因组测序将直接分析遗传多样性变化以及其他种群动态历史。

假定可用于作物育种的狭窄基因库和对赋予胁迫耐受性的遗传变异的需求，以及植物“新驯化”领域的最新发展，引发了人们对作物野生近缘种遗传多样性的兴趣。除了土地利用变化和栖息地破碎化对遗传多样性的不利影响外，报告还表明，主要作物的野生近缘种受到来自栽培作物的基因流的严重影响，即使是自花授粉物种，如水稻 。基因流动的可能性引起了人们对转基因生物的担忧，例如，除草剂抗性的变异可能会遗传给野生和杂草物种。作物野生近缘种的植物标本的比较基因组学将提供几个世纪以来作物到野生基因流动的直接视角。


植物标本作为生态相互作用的时间胶囊

植物标本馆标本的鸟枪测序不仅可以表征植物基因组，还可以表征属于相关生物体的基因组。这些包括植物病原体和居住在根际和叶际中的多种微生物群落，分别是植物表面和根-土壤界面上微生物的栖息地。偶尔，在叶折痕中还可以发现其他生物，如昆虫、软体动物，甚至小型爬行动物。因此，植物标本馆标本可以作为了解过去生物相互作用的窗口，揭示植物及其相关生物之间的共同进化轨迹（图2A）。

图2 . 植物标本馆标本的环境、分子和表型

植物标本保留了植物根部，这是富含微生物的栖息地，并且在某些情况下还包含原始土壤的残余物（图2A）。描述根际微生物组的特征可能会揭示受土地管理或农业实践（例如农用化学品的应用）影响的微生物群落的动态。

超越植物标本馆基因组学：将基因组学与其他数据整合


将植物标本馆基因组学与其他分子数据相结合

事实证明，植物标本馆对于其他植物生物学学科的科学家和全球环境变化的研究也很有价值。使用历史材料中除 DNA 之外的分子的最大挑战在于对其降解的了解有限以及缺乏分析方法。尽管简单元素及其稳定同位素预计不会在植物标本馆时间范围内降解，但必须小心避免污染。生态学家以及土壤和植物科学家使用氮浓度和同位素比率来评估生态系统的状态，这反映了关键化学元素的循环。多个物种的植物标本可以监测区域范围内氮可用性的变化（图2B）。尽管人为氮沉积增加，但叶面氮浓度却下降了。

将氮和碳同位素分析与物候特征相结合，揭示了拟南芥的异质生理反应，这些反应取决于生长习性、种群结构和环境变化。将这些研究与基因组特征相结合可能会揭示对人为压力的反应在多大程度上是遗传性的或可塑性的。这种可能性对于农作物尤其重要，其基因构成随着绿色革命期间施肥制度的开始而同时发生变化。

植物产生的复杂化学分子可以调节生物相互作用，例如植物防御、植物间竞争和授粉媒介吸引。因此，随着时间的推移表征这些分子可以揭示多种生物相互作用的进化。

蛋白质组已成功从古代动物样本中分离出来。蛋白质的降解速度比 DNA 慢，并且已经制定了严格的实验方法来验证其历史或古代性质。然而，这些方法尚未应用于植物标本馆。尽管 RNA 比 DNA 稳定性差得多，而且目前还没有有效的提取方法，但它的测序可以通过互补 DNA 中的损伤模式特征来间接验证，例如，提供对采样时植物与微生物相互作用的见解。


利用植物标本馆标本的表型和基因组数据

检查物候里程碑（例如落叶或开花）的时间变化可以研究气候变化的影响。植物标本馆标本是物候研究有价值且可靠的记录（图2B）。通过机器学习方法实现物候评分的自动化将扩大基于植物标本的物候研究的范围，从而能够评估更多表型。开花植物标本的采集日期提供了对过去开花时间的可靠估计。例如，植物标本馆标本的长期物候趋势表明，欧洲森林野花改变了其物候以应对气候变化。然而，任何遗传基础仍有待确定。将植物标本基因组学与物候学研究相结合将揭示表型性状的变异是否具有遗传基础或仅归因于表型可塑性。

全球环境变化背景下的另一个重要表型是气孔密度，这是植物用于气体交换的孔隙的量度（图2B）。正如植物标本馆标本所揭示的那样，随着工业化进程中大气中  水平的上升，气孔密度预计会降低。通过将植物标本馆和当今基因组与已知的基因敲除突变对气孔发育的影响相结合而设计的多基因评分初步显示与拟南芥的气孔密度呈正相关。该指标使用当今的基因组进行了验证，并且当应用于植物标本馆基因组时，再现了之前观察到的气孔密度随时间减少的模式。这种相关性是在没有直接测量植物标本中气孔密度的情况下实现的，表明观察到的模式背后存在潜在的遗传基础。

通过量化植物标本上的损伤，可以表征植物和昆虫食草动物之间的相互作用（图 1）。对一个多世纪的植物标本的分析表明，随着全球气温上升，昆虫食草动物对美国东北部植物的损害可能会继续增加。植物标本馆基因组学可能会通过植物组织上留下的昆虫 DNA 以及负责昆虫食草易感性的植物遗传位点来识别食草动物，从而加强这些研究。

COVERThis artist’s rendering of a sediment core includes depictions of organisms studied using ancient DNA, including woolly mammoths, mulberries, hominins, and pollen from ancient ecosystems. Ancient DNA has granted us glimpses into the past for these and many other organisms, with ramifications for our understanding of evolution, ecological changes, and even our own history. See the special section beginning on page 46. Illustration: Jenny Proudfoot