给每种生物制作一份“基因身份证”，到底值不值？

神隐之左手

青杆（学名：Picea wilsonii Mast.）是松科云杉属的一种常绿针叶乔木，是中国的特有物种。它们喜凉爽湿润的气候，耐寒性强，对土壤要求不严，但在深厚肥沃的酸性土壤中生长最好。它常生长于海拔1500-3000米的高山地带，是亚高山针叶林的重要组成部分。上图是国家植物园的一株青杆。摄影：Linda Wong 

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出品 | 海潮天下

地球上形形色色的生物，它们的生命密码究竟是什么？有没有一种方法，可以让人类全面地了解这些生物的基因奥秘？今天，请跟海潮天下（Marine Biodiversity）一起认识一下一个宏大的科学计划——“生命之树”（Tree of Life）计划，以及跟它相关联的国际大科学计划，来看看科学家们是如何解码地球生命的多样性的。

简单来说，“生命之树”计划是一个利用最先进的DNA测序技术，研究地球上各种生物基因组的项目。

DNA，大家可能都听说过，它是生物的遗传物质，决定了生物的特征和功能。每个生物都有自己独特的DNA序列，就像人的指纹一样。而基因组，就是一个生物所有DNA的总和。研究基因组，让科学家可以了解生物的遗传信息、进化历史，甚至预测它们在环境中的表现。

“生命之树”计划的目标，就是为地球上所有的真核生物（也就是那些细胞里有细胞核的复杂生物，包括动物、植物、真菌等）绘制高质量的参考基因组。

简单说，就是给每种生物制作一份详细的“基因身份证”。

生物进化树，又称系统发育树或演化树，展示了不同生物类群之间的演化关系，包括它们的共同祖先和分支路径。树的“根”代表所有生物的共同祖先，而“树枝”和“树叶”则代表不同的生物类群。科学家们对生物进化树的研究，让我们能更好地理解地球上生命的演化历程、以及生物多样性。©Linda Wong摄于中国科学院水生生物博物馆（CC BY-SA 4.0）

为什么要测序呢？值不值？
可能有人会问，花这么大力气去测序这些生物的基因组，值得吗？
答案是肯定的。了解生物的基因组，不仅能帮助我们理解生命的本质，还能在很多方面造福人类。

▲上图：古老种质资源（如传统作物品种、野生近缘种、地方畜禽种质等）通过现代科技手段可发掘出突破性的新用途，成为解决全球挑战的关键资源库。©Linda Wong 摄于国家作物种质库（CC BY-SA 4.0）  

比如，研究某些生物的基因组，可以帮助研究人员发现新的药物靶点，开发出更有效的治疗方法。再比如，了解农作物的基因组，有助于培育出抗病虫害、适应性更强的新品种，保障粮食安全。此外，研究生物的基因组还能帮助我们保护濒危物种，维持生态平衡。

截至目前，全球已知的物种大约有180万种，但只有不到1%的物种有完整的基因组数据。

截至2023年8月，已有数据的物种在门、纲、目、科、属、种这六个分类层级中的比例，分别为80.6%、66.1%、46.9%、21.5%、4.8%和0.8%。

这意味着，人类对地球生命的了解还只是冰山一角，距离“基因组就绪的世界”仍有很长的路要走。

上图：地球生物基因组计划（EBP）预计将影响的科学领域。我们知道，生物多样性基因组学研究具有复杂性和多维性。从宏观的生态系统到微观的DNA序列，各种生物样本和数据被收集、分析，并整合到强大的生物信息学平台中，这些平台利用先进的计算工具和算法，解析生物多样性的遗传基础，揭示物种间的进化关系，并探索生物适应环境的机制。通过这种综合性的研究方法，生物多样性基因组学为我们理解生命提供了前所未有的视角，为未来的生物科学奠定了基础。图源：Sanger Institute

地球生物基因组计划（[color=var(--weui-LINK)]EBP）

为了填补这一空白，科学家们发起了“地球生物基因组计划”（EBP），目标是为所有已知物种测序，生成参考基因组。而“生命之树”计划，正是这一全球性计划的重要组成部分。

7年前，地球生物基因组计划（EBP）横空出世，立下了一个宏伟目标——在十年内完成所有已知真核生物（即具有复杂细胞结构的生物）的基因组测序。

具体来说，2018年，科学家们提出了EBP计划，计划用十年时间，花费约47亿美元，对全球约167万种真核生物进行基因组测序。

不过，EBP计划一开始就碰上了不小的“拦路虎”。最直接的问题就是——钱。因为，巧妇难为无米之炊，做基因测序这事儿可不便宜，要砸下去好几十亿美元，哪是个小数目啊！而且地球上生物种类那么多，想要一个一个地去采样也不是件容易事。有些动物植物生活在非常偏远或者极端的地方，光是找到它们就够费劲了，更别说还得采集到合格的DNA样本。这些样本要是没保存好，或者质量不达标，整个测序过程可能就白费了。再加上，不同国家和地区在科研投入和技术力量上差距挺大，有的地方设备先进、人才多，有的地方资源就相对有限，这也让整个计划的推进不太均衡。

许多人工选育的水产新品种，它们的诞生与现代基因组学技术有着极其密切的关系。举个例子，上图是水产新品种——团头鲂（俗称武昌鱼）“浦江2号”。基因组测序技术，让科学家们可以解析控制生长、体型等优良性状的关键基因，并开发出分子标记。利用这种“基因导航”，在鱼苗期，就能精准筛选出携带优良基因的个体进行繁育，从而大幅提高了选育效率和准确性，最终成功培育出这种生长更快、体型更优的水产新品种。 这标志着武昌鱼的育种从传统的“经验选育”迈入了精准的“分子设计育种”新阶段。©Linda Wong摄于上海海洋大学（CC BY-SA 4.0）

基因组学在打击野生动植物非法贸易（IWT）中也有很好的前景，比如，2025年9月10日《Frontiers in Marine Science》上发表的一项最新研究发现，美国超市、海鲜市场以及网络平台上销售的鲨鱼肉存在严重的物种标签不准确问题，在售商品甚至包括了被世界自然保护联盟的濒危物种红色名录（IUCN redlist）列为了“极度濒危”的鲨鱼物种。这意味着，绝大多数人在买的时候，根本就不知道自己到底吃的是什么。▲上图：该研究团队在美国共购买了29份鲨鱼肉样本，用DNA条形码鉴定之后，发现这些样品共涉及11种不同的鲨鱼，其中包括IUCN红色名录中的“极危”物种。图源：doi: 10.3389/fmars.2025.1604454

尽管面临这么多挑战，这个计划目前的进展其实已经超出很多人的预期了。到现在为止，科学家们已经成功完成了大约3000种生物的基因组测序，涵盖了1060个真核生物的“家族”（也就是科学上说的“科”）。

按照这个速度，预计到2026年，EBP第一阶段要测的1万个物种目标是有希望完成的。而且一个好消息是，成本也大幅下降了。原本估计这阶段要花6.37亿美元，现在看可能只需要2.65亿美元。这主要是因为测序技术越来越先进了，不光速度更快了，精度也提高了，价格还更便宜了——“花更少的钱，办更大的事”。

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植物种子多样性为育种提供了丰富的基因库，有助于培育出具有更高产量、更好品质和更强抗逆性的新品种，从而保障粮食供应和农业的可持续发展。

灰色链霉菌，是生产链霉素的明星菌种，而链霉素是历史上第一个成功对抗结核病的抗生素，它的发现改变了医学史。如今基因组学的研究，让人类对它的认识达到了前所未有的深度。科学家完成了灰色链霉菌的全基因组测序，就像获得了这座“天才工厂”的完整信息。在这张蓝图上，研究人员准确地找到了负责合成链霉素的基因簇。这是一个包含几十个基因的庞大区域，这些基因像流水线上的工人一样，各司其职，共同协作，一步步将简单的原料转化成复杂的链霉素分子。传统改良菌种的方法主要依靠随机诱变（用紫外线、化学试剂等处理菌种），然后从成千上万个突变体中“盲选”产量更高的菌株，效率极低且过程不可控；但是在基因组学的帮助下，就可以做靶向改造，使用基因编辑技术（如CRISPR），对特定基因进行精准敲除、强化或修饰；并且有望从灰色链霉菌中挖掘出全新的、具有抗菌、抗肿瘤或其他活性的化合物。上图是灰色链霉菌的模型，©Linda Wong摄于中国科技馆 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

按照最新的时间表，EBP的第一阶段将在2026年完成1万种物种的测序，而第二阶段将在2030年完成15万种，最终在2032年完成所有已知真核生物的测序。如果一切顺利，这将是人类科学史上最重要的生物数据工程之一。

目前，EBP已经吸引了28个国家的科学家参与，全球范围内的58个科研机构或联盟都在为这个计划贡献力量。

在英国和爱尔兰，科学家们启动了“达尔文生命之树”项目，计划为这两个地区的约7万种真核生物构建参考基因组。这个项目由多家科研机构合作推进，包括Sanger研究所、Earlham研究所、EMBL-EBI、伦敦自然历史博物馆、爱丁堡和邱园皇家植物园，以及牛津、剑桥、爱丁堡大学等。

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怎样获取基因组信息？
可能有人会好奇，科学家是如何获取这些生物的基因组信息的？
整个过程其实相当复杂，但我们可以简单理解为以下几个步骤：首先，科学家们在野外采集目标生物的样本，确保采集过程符合伦理和法律要求。
然后，将采集到的样本带回实验室，提取其中的DNA。接着，利用先进的测序技术，对提取的DNA进行测序，获取其完整的序列信息。
随后，将测序得到的数据进行拼接、分析，最终得到该物种的参考基因组。

▲上图：松材线虫病是全球性的重要森林病害，每年给林业部门带来的损失数以亿计。主要由松材线虫引起，而松墨天牛作为其主要传播媒介，通过取食和产卵在松树中传播线虫。基因组学技术的应用，如基因组组装、功能基因组学和转录组学等，为研究松墨天牛和松材线虫的生物学特性、传播机制及防控策略提供了重要支持。例如，在基因组组装技术的帮助下，已经有研究人员成功组装了松墨天牛的染色体水平基因组，揭示了其与松材线虫的适应与互作机制，这就为防控策略提供了科学依据。上图是各种各样的天牛标本。其中包括松墨天牛。©Linda Wong（CC BY-SA 4.0）| 海潮天下（Marine Biodiversity）

在一切就绪后，将完成的基因组数据上传至公开数据库，供全球的研究者免费使用。
这整个过程需要高度的专业知识、精密的仪器，但通过这样的努力，我们才能逐步揭开生命的奥秘。

▲上图：“奋斗者”号是中国自主研发的万米级载人潜水器，是目前世界上载人作业深度最大的潜水器。它具备潜入11000米深度的能力，成功挑战了马里亚纳海沟的“挑战者深渊”，即地球海洋的最深处。上图是在第十九届国际基因组学大会（ICG-19）会场的一张照片——汪建、徐讯和刘姗姗三位老师获得马沟下潜证书。 摄影：Linda Wong

基因身份证的本质，就是一份利用特定DNA片段（如微卫星、SNP标记）构建的、能够唯一识别某个个体或物种的分子档案。就拿近日网上爆红的、在海南文昌出现的斑海豹“阿侬”来说，其实，仅凭外观，很容易产生误判。而基因身份证，则提供了不受主观影响、绝对客观的判别标准。所以说，要鉴别它是不是斑海豹，就可以通过基因技术来进行。研究人员可以采集它的生物样本（如血液、毛发或粪便），提取DNA；然后进行分子比对，将“阿侬”的DNA与数据库中已知的斑海豹（Phoca largha）的基因身份证数据进行比对。通过分析特定基因位点的序列差异，可以像查字典一样，精确判断其物种归属。上图是网传的“阿侬”图片。

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真菌在地球生态系统中扮演着分解者、共生者和病原体等多种角色，对维持生态平衡至关重要。上图是哥伦比亚波哥大植物园中“真菌生命之树”的一张海报，突出了真菌的宏观多样性。©摄影：何靖霄 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

生命之树，相关项目

除了“达尔文生命之树”项目，还有一些与“生命之树”计划相关的重要项目，值得一提。

比如，BIOSCAN计划，这是一个为期五年的项目，旨在研究英国各地100万个飞行昆虫的遗传多样性；科学家们每月从100个站点采集昆虫样本，然后利用DNA条形码技术进行分析。研究人员希望通过这个项目，来建立一个基于DNA的昆虫物种多样性基线，为未来的生态监测提供重要参考。

再比如，Psyche计划，这是一个多国合作的项目，目标是测序欧洲所有鳞翅目昆虫（包括蝴蝶和蛾类）的基因组。该计划分三个阶段进行，第一阶段计划测序2000个物种，最终目标是完成欧洲约1万种鳞翅目昆虫的基因组测序。

竹节虫（Phasmatodea），又称䗛，是昆虫纲下的一类独特昆虫，拟态能力卓越。它们主要分布于热带和亚热带地区，栖息于高山、密林等复杂环境中。竹节虫的体型多样，包括圆筒形、棒状或枝状，少数种类扁平如叶，体色多为深褐色或绿色，能够随环境变化而改变体色。作为草食性昆虫，它们以叶片为食。竹节虫通过模仿树枝、树叶甚至苔藓等植物形态来躲避天敌，堪称自然界中的伪装大师。全球已知的竹节虫种类约有2000至3000种，部分种类还具有断肢再生和孤雌生殖等独特能力。上图是各种各样的竹节虫标本。摄影 ©Linda Wong（CC BY-SA 4.0）

未来可期

随着科技的不断进步，测序技术也在飞速发展。过去需要花费大量时间和资金才能完成的基因组测序，现在变得更加高效和经济。这为“生命之树”计划的推进提供了有力支持。随着更多物种的基因组被解码，人类未来肯定将对地球生命有更全面的认识。这不仅有助于科学研究，也将在医疗、农业、环保等多个领域带来深远影响。比如，了解某些微生物的基因组，可能开发出新的抗生素；研究植物的基因组，可以培育出更适应气候变化的农作物；分析动物的基因组，可以更好地保护濒危物种……

（图文无关）▲上图：1970年代，一头在黄海北部被中国捕获的黑露脊鲸（Right whale），以及它腹中的胎儿。摄影：王敏幹（John MK Wong）摄于大连

“生命之树”计划、及其相关的国际大科学计划，作为一个个宏大的科学工程，希望能够深入了解生命的本质、解码地球上所有真核生物的基因组，为人类社会的发展和生态环境的保护提供强有力的支持。近日，随着最新的地球生物基因组计划（EBP）宣告第二阶段的展望，笔者相信，在不久的未来几年，科学家们能为更多的物种绘制出详细的“基因身份证”，揭开生命更多的奥秘、让基因科学造福人类。 

思考题·拓展思维

Q1、随着对物种基因组的了解逐渐加深，基因组数据如何帮助我们预测物种在环境变化下的适应能力？比如说，基因组信息能否为我们提供有关物种如何应对气候变化、栖息地丧失、或其他环境压力的线索，进而为生物多样性保护提供新的解决方案？

Q2、在测序大量物种基因组的过程中，如何利用这些数据理解物种之间更复杂的关系？比如，通过分析基因组数据，我们能否揭示出物种间如何相互作用，共同维持生态平衡，以及这些关系如何影响生态系统的功能？

Q3、其实有一个问题，EBP的科学家们自己也非常头疼，就是“南方”国家参与太少。随着“地球生物基因组计划”推动全球范围内物种基因组的测序，如何保证这些高成本、高技术的项目不仅对发达国家有益，也能惠及资源较少的地区？如何利用基因组技术在全球范围内促进公平的科研合作与生物多样性保护工作？

（注：本文仅代表资讯。不代表平台观点。欢迎留言、讨论。）

资讯源 | EBP, Tree of Life
文 | 王芊佳
出品 | 海潮天下
日期 | 2025年9月14日

【引用本文】

王芊佳.“生命之树”计划是什么？.海潮天下.2025-09-14

【参考资料】
https://www.sanger.ac.uk/programme/tree-of-life/https://www.earthbiogenome.org/
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.1720115115 

Blaxter M, Lewin HA, DiPalma F, Challis R, da Silva M, Durbin R, Formenti G, Franz N, Guigo R, Harrison PW, Hiller M, Hoff KJ, Howe K, Jarvis ED, Lawniczak MKN, Lindblad-Toh K, Mathews DJH, Martin FJ, Mazzoni CJ, McCartney AM, Mulder N, Paez S, Pruitt KD, Ras V, Ryder OA, Shirley L, Thibaud-Nissen F, Warnow T, Waterhouse RM and the EBP Community of Scientists. The Earth BioGenome Project Phase II: illuminating the eukaryotic tree of life. Front Sci (2025) 3:1514835. doi: 10.3389/fsci.2025.1514835

yzszh64

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