2018-11-19 18:21:52
以國家蘭科中心劉仲健教授領(lǐng)銜的國際科研團隊，將“深圳擬蘭”作為突破口，通過對“深圳擬蘭”進行全基因組測序以及小蘭嶼蝴蝶蘭、鐵皮石斛進行全基因組重測序，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、生長習性以及多樣性形成的分子機制和演化路徑，解開了困擾人類百余年的蘭花進化之謎。近日，這一研究成果通訊刊發(fā)于世界頂級科技期刊《自然》雜志
“按照達爾文關(guān)于蘭科植物花結(jié)構(gòu)進化的假說，蘭花花部器官是從簡單到復(fù)雜、從輻射對稱到兩側(cè)對稱、雌蕊和雄蕊從離生到合生，我們的研究修正了這一認知。”劉仲健教授領(lǐng)銜的國際科研團隊成員之一、深圳市瀕危蘭科植物保護與利用重點實驗室王潔雨博士告訴《經(jīng)濟日報》記者，“通過對蘭花基因組測序和進化研究，讓我們知道蘭花為何有這么豐富的多樣性，為我們后續(xù)運用大數(shù)據(jù)評估，制定蘭花保護策略提供了依據(jù)；同時，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’，便于進一步開發(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，科學家仍然循著達爾文的步伐，通過蘭花來研究植物如何進化及適應(yīng)地球變化多樣的環(huán)境
蘭花有著珍貴的藝術(shù)價值，兼具重要的藥用和經(jīng)濟價值，是我國的重要種質(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3萬種，約占開花植物物種的10%。它呈現(xiàn)出獨特的形態(tài)：有一唇狀花瓣，雌雄蕊合生成蕊柱，花粉粒粘合成花粉塊，種子塵狀無胚乳，可在地上或樹上、石上生長，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棲息地，呈現(xiàn)出極為豐富的多樣性。6600萬年前的白堊紀時期，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化的理想模式植物。1859年，達爾文完成巨制《物種起源》后，開始著迷于研究蘭花。他在一本有關(guān)蘭花的著作中寫道：“在對蘭花的研究中，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目的：完成兩朵花之間的授粉。”對形態(tài)多樣的蘭花研究，幫助達爾文完善自然選擇和進化方面的理論。直至今日，科學家仍然循著達爾文的步伐，通過蘭花來研究植物如何進化及適應(yīng)地球變化多樣的環(huán)境。
不久前，在國家蘭科中心舉辦的蘭花基因組學與多樣性保護會議上，來自美國康奈爾大學的羅伯特·拉古索教授認為，昆蟲對蘭花氣味的偏好推動了蘭科植物與傳粉者的生物多樣性與協(xié)同進化。中科院植物研究所的張武凡博士以四川黃龍自然保護區(qū)內(nèi)的蘭科植物為研究對象，認為不同種類的蘭科植物通過散發(fā)不同成分與濃度的氣味，吸引不同的傳粉昆蟲形成傳粉系統(tǒng)，從生態(tài)角度揭示了蘭花通過氣味信號對傳粉者作出的篩選。
然而，對于蘭科植物相關(guān)基因的功能研究目前仍然十分匱乏。2006年，國家林業(yè)局在深圳梧桐山成立國家蘭科中心，旨在開展蘭科植物種質(zhì)資源保護研究工作，提高蘭科植物保護水平。近年來，國家蘭科中心率先開展“國際蘭花基因組計劃”，完成世界首個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”，填補了植物基因組研究的多個空白，并已收集保存國產(chǎn)和國外蘭科植物以及種質(zhì)資源樣本27864份。
蘭花有5個亞科：擬蘭亞科、香莢蘭亞科、杓蘭亞科、蘭亞科和樹蘭亞科，小蘭嶼蝴蝶蘭與鐵皮石斛分屬蘭亞科與樹蘭亞科，它們的基因組測序研究成果分別刊發(fā)于《自然》雜志旗下的《自然遺傳學》和《科學報道》。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)控機制，有極強應(yīng)對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。研究團隊利用測序的分子數(shù)據(jù)開展了鐵皮石斛開發(fā)利用研究，取得多項成果：通過分子育種，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”；制定了全國“石斛質(zhì)量等級標準”，規(guī)范全國石斛產(chǎn)品評價體系。
“與眾不同”的深圳擬蘭
擬蘭亞科物種最接近于達爾文推測的“假蘭”。而“深圳擬蘭”具有輻射對稱的花被片、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”來研究蘭花進化？“擬蘭亞科物種與小蘭嶼蝴蝶蘭、鐵皮石斛這類具有‘標準’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，最接近于達爾文推測的‘假蘭’。‘深圳擬蘭’具有輻射對稱的花被片、無特化的唇瓣結(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，“達爾文對蘭花怎樣起源和如何在非常短的時期內(nèi)演化出如此精巧復(fù)雜、種類繁多的蘭花感到非常困惑。開展深圳擬蘭基因組測序研究工作，能夠使我們從分子角度解開‘達爾文的困惑’”。
“深圳擬蘭”的命名來源于它的發(fā)現(xiàn)地——深圳市。2011年，劉仲健領(lǐng)銜科研團隊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”。
研究團隊采用新技術(shù)，對“深圳擬蘭”進行了全基因組測序，并對已發(fā)表的小蘭嶼蝴蝶蘭和鐵皮石斛進行了重測序，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個編碼基因，比蝴蝶蘭或鐵皮石斛要少7000多個。同時研究團隊還對蘭科5個亞科的代表性物種進行取樣，獲取大量轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)用于基因功能分析和驗證。
破解“達爾文的困惑”
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稱向兩側(cè)對稱、由簡單向復(fù)雜進化的常規(guī)認知
通過對基因組功能分析，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，由此開啟了現(xiàn)生蘭花的起源。研究團隊成員、比利時根特大學教授伊夫斯·范·德皮爾認為，正是因為蘭科植物發(fā)生了全基因組重復(fù)，使得蘭科植物“躲過一劫”，順利度過了白堊紀生物大滅絕。
生物大滅絕后，地球生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴重破壞，但蘭花隨即通過基因的擴張和收縮致使基因組出現(xiàn)分化形成了5個亞科，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，它平時有4個輪子可以轉(zhuǎn)動，但它的多倍化使得它多了一個‘備胎’，在大滅絕時期哪怕其他4個輪子壞了，也有備胎可以及時換上。”伊夫斯·范·德皮爾認為，所有現(xiàn)存于地球上的蘭花都是恐龍滅絕時期幸存的蘭花后代。
研究團隊通過基因組比較，發(fā)現(xiàn)蘭花有474個特有基因家族，從中可窺視蘭花新的基因家族及其擴張和收縮的進化歷史，及其唇瓣、合蕊柱、花粉塊、無胚乳種子的發(fā)育、地生與附生習性進化的分子機制。“蘭花怎么來的，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。
研究人員發(fā)現(xiàn)，蘭科植物花部器官的起源與進化，都是由MADS-Box基因控制。通過對蝴蝶蘭、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。蘭花的祖先通過全基因組復(fù)制后，復(fù)制了這些基因調(diào)控唇瓣進化，使蘭花呈現(xiàn)出兩側(cè)對稱特征，來適應(yīng)昆蟲傳粉，增加傳粉準確性。”劉仲健說，“這個發(fā)現(xiàn)也修正了蘭花由輻射對稱向兩側(cè)對稱、由簡單向復(fù)雜進化這個常規(guī)認知。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，花部器官從兩側(cè)對稱向輻射對稱、從復(fù)雜向簡單進化”。
而對于“有些蘭花可附生在樹上或石頭上，另外一些只能在地面生長”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，只能在地下生長和吸收養(yǎng)分；而當蘭花缺乏該基因時，則會長出“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)分和儲存水分，使蘭花能附著在樹上或石頭上生存。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，揚揚其香。舊時之蘭，恐生于幽谷無人識；如今受益于科技昌明，蘭花之千年嬗變昭昭乎若揭，給人帶來無限啟迪。
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