2018-11-19 18:21:52
以國(guó)家蘭科中心劉仲健教授領(lǐng)銜的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)，將“深圳擬蘭”作為突破口，通過(guò)對(duì)“深圳擬蘭”進(jìn)行全基因組測(cè)序以及小蘭嶼蝴蝶蘭、鐵皮石斛進(jìn)行全基因組重測(cè)序，并結(jié)合其它蘭科植物的轉(zhuǎn)錄組及基因功能分析，揭示了蘭花的起源及其花部器官發(fā)育、生長(zhǎng)習(xí)性以及多樣性形成的分子機(jī)制和演化路徑，解開(kāi)了困擾人類百余年的蘭花進(jìn)化之謎。近日，這一研究成果通訊刊發(fā)于世界頂級(jí)科技期刊《自然》雜志
“按照達(dá)爾文關(guān)于蘭科植物花結(jié)構(gòu)進(jìn)化的假說(shuō)，蘭花花部器官是從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從輻射對(duì)稱到兩側(cè)對(duì)稱、雌蕊和雄蕊從離生到合生，我們的研究修正了這一認(rèn)知。”劉仲健教授領(lǐng)銜的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)成員之一、深圳市瀕危蘭科植物保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王潔雨博士告訴《經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)》記者，“通過(guò)對(duì)蘭花基因組測(cè)序和進(jìn)化研究，讓我們知道蘭花為何有這么豐富的多樣性，為我們后續(xù)運(yùn)用大數(shù)據(jù)評(píng)估，制定蘭花保護(hù)策略提供了依據(jù)；同時(shí)，我們獲得了控制蘭花性狀的一系列基因，這為今后的分子育種和基因編輯提供了基礎(chǔ)和‘工具包’，便于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出人們需要的蘭花資源和新品種。”
蘭科的“謎之多樣性”
蘭花是植物界種類最豐富的“家族”之一，直至今日，科學(xué)家仍然循著達(dá)爾文的步伐，通過(guò)蘭花來(lái)研究植物如何進(jìn)化及適應(yīng)地球變化多樣的環(huán)境
蘭花有著珍貴的藝術(shù)價(jià)值，兼具重要的藥用和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是我國(guó)的重要種質(zhì)資源。作為植物界種類最豐富的“家族”之一，蘭花共有880屬近3萬(wàn)種，約占開(kāi)花植物物種的10%。它呈現(xiàn)出獨(dú)特的形態(tài)：有一唇狀花瓣，雌雄蕊合生成蕊柱，花粉粒粘合成花粉塊，種子塵狀無(wú)胚乳，可在地上或樹(shù)上、石上生長(zhǎng)，可適應(yīng)不同的氣溫、濕度與光照條件，幾乎能存活在地球每一個(gè)棲息地，呈現(xiàn)出極為豐富的多樣性。6600萬(wàn)年前的白堊紀(jì)時(shí)期，第三次生物大滅絕事件致使恐龍滅絕，但蘭科植物有幸得以延續(xù)至今。
蘭科植物是研究生物多樣性和進(jìn)化的理想模式植物。1859年，達(dá)爾文完成巨制《物種起源》后，開(kāi)始著迷于研究蘭花。他在一本有關(guān)蘭花的著作中寫(xiě)道：“在對(duì)蘭花的研究中，最讓我感到震驚的是，蘭花結(jié)構(gòu)的多樣性都是基于同一個(gè)目的：完成兩朵花之間的授粉。”對(duì)形態(tài)多樣的蘭花研究，幫助達(dá)爾文完善自然選擇和進(jìn)化方面的理論。直至今日，科學(xué)家仍然循著達(dá)爾文的步伐，通過(guò)蘭花來(lái)研究植物如何進(jìn)化及適應(yīng)地球變化多樣的環(huán)境。
不久前，在國(guó)家蘭科中心舉辦的蘭花基因組學(xué)與多樣性保護(hù)會(huì)議上，來(lái)自美國(guó)康奈爾大學(xué)的羅伯特·拉古索教授認(rèn)為，昆蟲(chóng)對(duì)蘭花氣味的偏好推動(dòng)了蘭科植物與傳粉者的生物多樣性與協(xié)同進(jìn)化。中科院植物研究所的張武凡博士以四川黃龍自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的蘭科植物為研究對(duì)象，認(rèn)為不同種類的蘭科植物通過(guò)散發(fā)不同成分與濃度的氣味，吸引不同的傳粉昆蟲(chóng)形成傳粉系統(tǒng)，從生態(tài)角度揭示了蘭花通過(guò)氣味信號(hào)對(duì)傳粉者作出的篩選。
然而，對(duì)于蘭科植物相關(guān)基因的功能研究目前仍然十分匱乏。2006年，國(guó)家林業(yè)局在深圳梧桐山成立國(guó)家蘭科中心，旨在開(kāi)展蘭科植物種質(zhì)資源保護(hù)研究工作，提高蘭科植物保護(hù)水平。近年來(lái)，國(guó)家蘭科中心率先開(kāi)展“國(guó)際蘭花基因組計(jì)劃”，完成世界首個(gè)蘭科植物和景天酸代謝植物的基因圖譜“小蘭嶼蝴蝶蘭全基因組基因圖譜”、藥用蘭科植物“鐵皮石斛全基因組基因圖譜”和香料蘭科植物“深圳香莢蘭全基因組基因圖譜”，填補(bǔ)了植物基因組研究的多個(gè)空白，并已收集保存國(guó)產(chǎn)和國(guó)外蘭科植物以及種質(zhì)資源樣本27864份。
蘭花有5個(gè)亞科：擬蘭亞科、香莢蘭亞科、杓蘭亞科、蘭亞科和樹(shù)蘭亞科，小蘭嶼蝴蝶蘭與鐵皮石斛分屬蘭亞科與樹(shù)蘭亞科，它們的基因組測(cè)序研究成果分別刊發(fā)于《自然》雜志旗下的《自然遺傳學(xué)》和《科學(xué)報(bào)道》。研究成果顯示，鐵皮石斛與蝴蝶蘭擁有幾乎相同的基因數(shù)量，但鐵皮石斛具有廣泛的生態(tài)適應(yīng)性基因調(diào)控機(jī)制，有極強(qiáng)應(yīng)對(duì)逆境的能力和防止病原物侵害的免疫能力，可在高溫、寒冷、高濕或干旱的環(huán)境中生長(zhǎng)。研究團(tuán)隊(duì)利用測(cè)序的分子數(shù)據(jù)開(kāi)展了鐵皮石斛開(kāi)發(fā)利用研究，取得多項(xiàng)成果：通過(guò)分子育種，選育出具有有效活性成分、易栽培難仿冒的優(yōu)良品種“深蘭1號(hào)”；制定了全國(guó)“石斛質(zhì)量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”，規(guī)范全國(guó)石斛產(chǎn)品評(píng)價(jià)體系。
“與眾不同”的深圳擬蘭
擬蘭亞科物種最接近于達(dá)爾文推測(cè)的“假蘭”。而“深圳擬蘭”具有輻射對(duì)稱的花被片、雌蕊雄蕊分離等特征，是理想的研究材料
為什么要選“深圳擬蘭”來(lái)研究蘭花進(jìn)化？“擬蘭亞科物種與小蘭嶼蝴蝶蘭、鐵皮石斛這類具有‘標(biāo)準(zhǔn)’蘭花形態(tài)、結(jié)構(gòu)精巧復(fù)雜的‘真蘭花’相比，具有原始性狀，最接近于達(dá)爾文推測(cè)的‘假蘭’。‘深圳擬蘭’具有輻射對(duì)稱的花被片、無(wú)特化的唇瓣結(jié)構(gòu)、雌蕊雄蕊分離、花粉散生為粒狀、植株地生，是理想的研究材料。”劉仲健表示，“達(dá)爾文對(duì)蘭花怎樣起源和如何在非常短的時(shí)期內(nèi)演化出如此精巧復(fù)雜、種類繁多的蘭花感到非常困惑。開(kāi)展深圳擬蘭基因組測(cè)序研究工作，能夠使我們從分子角度解開(kāi)‘達(dá)爾文的困惑’”。
“深圳擬蘭”的命名來(lái)源于它的發(fā)現(xiàn)地——深圳市。2011年，劉仲健領(lǐng)銜科研團(tuán)隊(duì)在深圳市梧桐山上發(fā)現(xiàn)了一種自花授粉的擬蘭新物種，故以深圳市名作為它的種加詞，命名為“深圳擬蘭”。
研究團(tuán)隊(duì)采用新技術(shù)，對(duì)“深圳擬蘭”進(jìn)行了全基因組測(cè)序，并對(duì)已發(fā)表的小蘭嶼蝴蝶蘭和鐵皮石斛進(jìn)行了重測(cè)序，取得了高質(zhì)量的組裝結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)，深圳擬蘭的基因組大小為471.0兆，有21841個(gè)編碼基因，比蝴蝶蘭或鐵皮石斛要少7000多個(gè)。同時(shí)研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)蘭科5個(gè)亞科的代表性物種進(jìn)行取樣，獲取大量轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)用于基因功能分析和驗(yàn)證。
破解“達(dá)爾文的困惑”
研究發(fā)現(xiàn)，蘭科植物在全基因組復(fù)制事件后形成“真”蘭花，隨后由于部分基因丟失，形成“假”蘭花，由此修正了蘭花由輻射對(duì)稱向兩側(cè)對(duì)稱、由簡(jiǎn)單向復(fù)雜進(jìn)化的常規(guī)認(rèn)知
通過(guò)對(duì)基因組功能分析，研究者發(fā)現(xiàn)，所有現(xiàn)存蘭花的祖先曾在第三次生物大滅絕事件前，發(fā)生了一次全基因組復(fù)制事件，由此開(kāi)啟了現(xiàn)生蘭花的起源。研究團(tuán)隊(duì)成員、比利時(shí)根特大學(xué)教授伊夫斯·范·德皮爾認(rèn)為，正是因?yàn)樘m科植物發(fā)生了全基因組重復(fù)，使得蘭科植物“躲過(guò)一劫”，順利度過(guò)了白堊紀(jì)生物大滅絕。
生物大滅絕后，地球生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞，但蘭花隨即通過(guò)基因的擴(kuò)張和收縮致使基因組出現(xiàn)分化形成了5個(gè)亞科，從而產(chǎn)生更多的多樣性迅速適應(yīng)了新的生態(tài)系統(tǒng)。“如果把蘭科植物的基因比作一輛汽車，它平時(shí)有4個(gè)輪子可以轉(zhuǎn)動(dòng)，但它的多倍化使得它多了一個(gè)‘備胎’，在大滅絕時(shí)期哪怕其他4個(gè)輪子壞了，也有備胎可以及時(shí)換上。”伊夫斯·范·德皮爾認(rèn)為，所有現(xiàn)存于地球上的蘭花都是恐龍滅絕時(shí)期幸存的蘭花后代。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)基因組比較，發(fā)現(xiàn)蘭花有474個(gè)特有基因家族，從中可窺視蘭花新的基因家族及其擴(kuò)張和收縮的進(jìn)化歷史，及其唇瓣、合蕊柱、花粉塊、無(wú)胚乳種子的發(fā)育、地生與附生習(xí)性進(jìn)化的分子機(jī)制。“蘭花怎么來(lái)的，由哪些基因控制，它的基因‘工具包’和基因池被我們找到了。”劉仲健說(shuō)。
研究人員發(fā)現(xiàn)，蘭科植物花部器官的起源與進(jìn)化，都是由MADS-Box基因控制。通過(guò)對(duì)蝴蝶蘭、擬蘭等相關(guān)基因分析，研究人員鎖定了控制繁殖器官性狀的關(guān)鍵基因。“擬蘭的花沒(méi)有唇瓣和完整的蕊柱，這是由于某些基因丟失所造成的。蘭花的祖先通過(guò)全基因組復(fù)制后，復(fù)制了這些基因調(diào)控唇瓣進(jìn)化，使蘭花呈現(xiàn)出兩側(cè)對(duì)稱特征，來(lái)適應(yīng)昆蟲(chóng)傳粉，增加傳粉準(zhǔn)確性。”劉仲健說(shuō)，“這個(gè)發(fā)現(xiàn)也修正了蘭花由輻射對(duì)稱向兩側(cè)對(duì)稱、由簡(jiǎn)單向復(fù)雜進(jìn)化這個(gè)常規(guī)認(rèn)知。蘭科植物在全基因組復(fù)制事件后形成‘真’蘭花，隨后由于部分基因丟失，形成‘假’蘭花，花部器官?gòu)膬蓚?cè)對(duì)稱向輻射對(duì)稱、從復(fù)雜向簡(jiǎn)單進(jìn)化”。
而對(duì)于“有些蘭花可附生在樹(shù)上或石頭上，另外一些只能在地面生長(zhǎng)”的差異，劉仲健表示，擬蘭之所以地生是由于某種特定基因控制了它的根，只能在地下生長(zhǎng)和吸收養(yǎng)分；而當(dāng)蘭花缺乏該基因時(shí)，則會(huì)長(zhǎng)出“氣生根”，這些“氣生根”發(fā)育出一種海綿狀表皮，能在空氣中吸收養(yǎng)分和儲(chǔ)存水分，使蘭花能附著在樹(shù)上或石頭上生存。研究發(fā)現(xiàn)，生境之間的巨大差異隔斷了蘭花種間的基因交流，更有助于促成新物種的產(chǎn)生。
蘭之猗猗，揚(yáng)揚(yáng)其香。舊時(shí)之蘭，恐生于幽谷無(wú)人識(shí)；如今受益于科技昌明，蘭花之千年嬗變昭昭乎若揭，給人帶來(lái)無(wú)限啟迪。
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