植物星球计划：“谱”写生命树基因组华章

植物占地球所有生物量的82%，而所有动物加起来占比还不到1%。植物对地球生态系统至关重要，但人们对植物的了解却远远不够。

4月30日，《细胞》杂志在线发表了15个国家和地区40余家顶尖科研单位的科学家们面向全球发起的植物星球计划（PLANeT），标志着该计划正式启动。这一宏伟倡议旨在通过解码陆地植物的遗传密码，构建一幅完整的“植物生命之树”，系统解析陆地植物的基因组多样性，并在此基础上推动基础研究与应用创新的融合发展，以应对粮食安全、生物多样性保护等全球性挑战。

丰富多彩的植物世界。受访者供图

美国爱荷华州立大学教授、美国国家科学院院士Jonathan Wendel说：“这是一个非凡的计划，它将帮助我们理解植物基因组的深层联系，我能参与其中深感荣幸。”

中国植物学会理事长、中国科学院院士种康指出，这项计划由中国科学家倡议和领衔，不仅是植物科学的里程碑，更是中国从学习、追赶到引领、合作的历史性跨越。

从碎片化数据到基因组绿洲的征程

“每一棵树、每一种草本植物、每一种作物，它们都拥有各不相同的基因组，基因组是一本生物学的‘说明书’，靠数亿年的进化书写而成。”德国图宾根马克斯普朗克生物学研究所研究员、美国国家科学院院士Detlef Weigel说，地球上大约有45万种陆地植物，它们为人类提供衣物，治愈疾病，产生人类呼吸的氧气，也是维系地球宜居生态系统的关键组成部分。

然而，“我们几乎还未真正读懂它们基因组中写下的内容。目前95%的植物属、70%的科，以及超过一半的目，还没有任何参考基因组。”Weigel说。

目前，地球生物基因组计划正在致力于测序地球上所有真核生物的基因组；达尔文生命之树计划正在系统性地测序英国和爱尔兰的物种；而脊椎动物基因组计划也已在动物研究中取得了令人惊叹的成果。

“这些努力令人振奋，它们展示了当科学共同体围绕共同目标凝聚时的力量。但植物却被落在了后面。”Weigel强调，此前，仍然没有一个面向陆地植物基因组的国际协调一致的大规模系统计划。

“自2000年拟南芥基因组发布以来，26年过去了，我们仍处于植物基因组数据的‘碎片化时代’。”中国农业科学院深圳农业基因组研究所研究员、植物星球计划主要负责人之一王丽说，以被子植物为例，尽管已解码了超过1000种植物的基因组，但仍有约94%的属以及约34.5万个种的基因密码的黑匣子尚未打开。大多数组学数据资源集中在少数物种上，形成知识的孤岛，而大量野生植物的基因资源无法被有效掌握和利用。

人们对于植物的认知状况仍然停留在少数知识的“孤岛”上，缺乏通往其他“岛屿”的桥梁，更无法窥见整个植物生命“海洋”的全貌。这种数据缺口严重制约了人类对植物多样性、适应性及功能潜力的深入理解，直接影响到粮食安全、生物多样性保护和药物开发等关键领域。

“植物星球计划的发起，源于人类对陆地植物认知的严重不足。”种康指出，“这好比我们拥有一座宏伟的图书馆，却对其绝大多数书籍的内在篇章与核心思想一无所知。”

“在一个科研资源日益区域化、国际交流面临诸多不确定性的时代，我们为什么还要坚持一个全球性的科学工程？”中国科学院院士、中国农业科学院院长黄三文说，这触及到了植物星球计划的核心命题。

“植物分布本来就是跨越国界的。植物是连接不同大陆和文明的自然纽带。一个物种的分布范围可能覆盖多个国家和地区；一个植物类群的演化历史，可能涉及多个大陆。如果把植物基因组研究局限在某个国家或者区域内部，就等于把一个完整的生命故事撕裂成为碎片。”黄三文说，在生物学中，“生命之树”表示生物的进化关系。植物生命之树是一个整体，任何区域的割裂都会让这幅生命的图景变得不完整。

从“盲人摸象”到智能育种

种康介绍，该计划的终极目标是绘制一幅高分辨率、时间校准的完整陆地植物系统发育树，从根本上厘清所有主要植物类群之间的亲缘关系与分化时间。具体而言，2026年为所有被子植物的目解码基因组，这一步已经实现；2028年覆盖>95%开花植物的科和非开花植物的目，2036年覆盖>90%的开花植物的属和非开花植物的科。

“不仅仅是为了填补数据空白，更因为这些基因组将彻底改变我们对植物进化的理解、引导濒危物种的保护、推动下一代作物育种，并解锁野生植物中的新型药物。”Weigel说。

植物星球计划的核心是通过系统测序陆地植物主要谱系，构建一个数字化的“植物生命全景基因图谱”。其主要内容包括对缺乏参考基因组的目、科、属进行采样，利用进化和功能基因组学方法，结合人工智能技术，挖掘植物基因组的共同规则。

王丽介绍，该计划预计在三个方面产生直接且深远的影响。

首先，实现作物育种革新，保障全球粮食安全。挖掘野生物种丰富的遗传宝库，弥补作物品种中丢失的优异基因（如抗逆、高产性状），该计划将赋能“智能育种”的新纪元。

北京大学现代农业研究院院长邓兴旺说：“当前育种像‘盲人摸象’，只针对少数性状；而植物星球计划将提供整头‘大象’的蓝图，让我们能设计适应气候变化的‘未来作物’。”

其次，为生物多样性保护充当生态“保险单”。该计划通过基因组数据评估物种的遗传多样性和灭绝风险，比传统野外监测更高效。

其三，挖掘天然产物“绿色宝库”，发现新药。植物是自然界最伟大的化学家，现有药物中约33.6%源自天然产物及其衍生物。

人工智能在植物星球计划中扮演着“超级翻译家”的角色，其核心任务是学习并破译植物的“共同语言”——即DNA序列中隐藏的语法规则和调控逻辑。

例如，AI可以识别哪些基因组区域是进化中“锁定”的功能基石，哪些是“创新热点”，从而预测基因功能。通过AI模型，科学家还可以预测植物如何形成其关键性状，或理解趋同进化（如不同类群独立演化出相似性状）的分子基础。

邓兴旺对植物星球计划的未来充满了期待。他设想，未来科研人员进入田间或野外，可以使用便携式测序设备，现场提取植物DNA并进行测序，将数据实时上传至植物星球计划的智能分析平台，立即获得这些植株的基因信息，预测其生产潜力，并筛选优良材料进行深入研究，而无需等待一个完整生长周期。

“在植物星球计划的愿景里，未来的农学家或植物科学家既要掌握前沿的计算方法和大数据，也需要扎根于真实世界的生物多样性；既是数据科学家，也是野外或田间的植物精准鉴定专家。”邓兴旺说。

在全球合作中建立科学的确定性

“植物星球计划所倡导的开放、公平、合作、专业的精神，与中国一贯坚持的国际科技合作理念高度契合。”种康说，该计划目前已汇聚了15个国家40余家机构，预计招募和培训超过1000名科学家。

“加强全球合作，具有更加深层次的战略意义。”黄三文说。

首先，避免重复建设，共享“基础设施”。基因组学本身就是大数据时代的产物，每一个高质量参考基因组的成本虽然在降低，但仍然需要大量的资金、设备和专业人才，如果各个国家、各个实验室各自为战，重复测序那些容易测的物种，而真正的演化空白无人问津，那是对全球科研资源的巨大浪费。

“植物性星球计划的战略价值之一，就是作为一个全球的协调机制，让大家朝着同一个生命之树的目标前进，而不是分散用力。”黄三文说。

其次，弥补维度偏差，实现真正的全球代表性。目前植物基因组资源存在严重的维度偏差，即大部分植物基因组数据来自于北半球温带、亚热带地区，热带和南半球的植物多样性被严重忽视，而恰恰是这些地区拥有地球上最丰富的植物多样性。“没有这些地区科学家的深度参与，植物星球计划就不可能真正实现覆盖全球生命之树的愿景。全球合作是科学上的必须。”黄三文说。

其三，在不确定性中建立科学的确定性。酷热、干旱与洪水肆虐，我们正处在一个充满变数的时代，气候变化、生物多样性丧失、粮食安全危机，每年约13亿吨食物被浪费，相关温室气体排放高达33亿吨。

“这些挑战没有任何一个国家能够独自应对。基因组学提供的是一个确定性的底层基础设施，无论国际局势如何变化，一套完整开放、代表全植物界多样性的基因组数据，将是全人类共同的科学资产。”黄三文说。

这种全球参与的背后，是科学无国界的精神。Detlef Weigel强调：“科学有独特的能力团结人类，我们必须保持开放。”

“这不仅是技术的进步，更是认知维度的飞跃。”种康说，可以预见，植物星球计划所产生的‘数字植物方舟’，将极大地推动从基础生物学、生物多样性保护到作物改良、新药研发等所有相关领域的范式创新。它将为我们回答“植物如何演化以适应环境”这一达尔文时代的未解之谜提供前所未有的数据利器，为医药制造、作物品种创制和生态保护提供技术源泉。