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基因测序研究揭秘兰花进化
作者:   来源:中国创新网   发布者:尹海华   日期:2017-09-25   今日/总浏览:5/1027

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以国家兰科中心刘仲健教授领衔的国际科研团队,将“深圳拟兰”作为突破口,通过对“深圳拟兰”进行全基因组测序以及小兰屿蝴蝶兰、铁皮石斛进行全基因组重测序,并结合其它兰科植物的转录组及基因功能分析,揭示了兰花的起源及其花部器官发育、生长习性以及多样性形成的分子机制和演化路径,解开了困扰人类百余年的兰花进化之谜。近日,这一研究成果通讯刊发于世界顶级科技期刊《自然》杂志

“按照达尔文关于兰科植物花结构进化的假说,兰花花部器官是从简单到复杂、从辐射对称到两侧对称、雌蕊和雄蕊从离生到合生,我们的研究修正了这一认知。”刘仲健教授领衔的国际科研团队成员之一、深圳市濒危兰科植物保护与利用重点实验室王洁雨博士告诉《经济日报》记者,“通过对兰花基因组测序和进化研究,让我们知道兰花为何有这么丰富的多样性,为我们后续运用大数据评估,制定兰花保护策略提供了依据;同时,我们获得了控制兰花性状的一系列基因,这为今后的分子育种和基因编辑提供了基础和‘工具包’,便于进一步开发出人们需要的兰花资源和新品种。”

兰科的“谜之多样性”

兰花是植物界种类最丰富的“家族”之一,直至今日,科学家仍然循着达尔文的步伐,通过兰花来研究植物如何进化及适应地球变化多样的环境

兰花有着珍贵的艺术价值,兼具重要的药用和经济价值,是我国的重要种质资源。作为植物界种类最丰富的“家族”之一,兰花共有880属近3万种,约占开花植物物种的10%。它呈现出独特的形态:有一唇状花瓣,雌雄蕊合生成蕊柱,花粉粒粘合成花粉块,种子尘状无胚乳,可在地上或树上、石上生长,可适应不同的气温、湿度与光照条件,几乎能存活在地球每一个栖息地,呈现出极为丰富的多样性。6600万年前的白垩纪时期,第三次生物大灭绝事件致使恐龙灭绝,但兰科植物有幸得以延续至今。

兰科植物是研究生物多样性和进化的理想模式植物。1859年,达尔文完成巨制《物种起源》后,开始着迷于研究兰花。他在一本有关兰花的著作中写道:“在对兰花的研究中,最让我感到震惊的是,兰花结构的多样性都是基于同一个目的:完成两朵花之间的授粉。”对形态多样的兰花研究,帮助达尔文完善自然选择和进化方面的理论。直至今日,科学家仍然循着达尔文的步伐,通过兰花来研究植物如何进化及适应地球变化多样的环境。

不久前,在国家兰科中心举办的兰花基因组学与多样性保护会议上,来自美国康奈尔大学的罗伯特·拉古索教授认为,昆虫对兰花气味的偏好推动了兰科植物与传粉者的生物多样性与协同进化。中科院植物研究所的张武凡博士以四川黄龙自然保护区内的兰科植物为研究对象,认为不同种类的兰科植物通过散发不同成分与浓度的气味,吸引不同的传粉昆虫形成传粉系统,从生态角度揭示了兰花通过气味信号对传粉者作出的筛选。

然而,对于兰科植物相关基因的功能研究目前仍然十分匮乏。2006年,国家林业局在深圳梧桐山成立国家兰科中心,旨在开展兰科植物种质资源保护研究工作,提高兰科植物保护水平。近年来,国家兰科中心率先开展“国际兰花基因组计划”,完成世界首个兰科植物和景天酸代谢植物的基因图谱“小兰屿蝴蝶兰全基因组基因图谱”、药用兰科植物“铁皮石斛全基因组基因图谱”和香料兰科植物“深圳香荚兰全基因组基因图谱”,填补了植物基因组研究的多个空白,并已收集保存国产和国外兰科植物以及种质资源样本27864份。

兰花有5个亚科:拟兰亚科、香荚兰亚科、杓兰亚科、兰亚科和树兰亚科,小兰屿蝴蝶兰与铁皮石斛分属兰亚科与树兰亚科,它们的基因组测序研究成果分别刊发于《自然》杂志旗下的《自然遗传学》和《科学报道》。研究成果显示,铁皮石斛与蝴蝶兰拥有几乎相同的基因数量,但铁皮石斛具有广泛的生态适应性基因调控机制,有极强应对逆境的能力和防止病原物侵害的免疫能力,可在高温、寒冷、高湿或干旱的环境中生长。研究团队利用测序的分子数据开展了铁皮石斛开发利用研究,取得多项成果:通过分子育种,选育出具有有效活性成分、易栽培难仿冒的优良品种“深兰1号”;制定了全国“石斛质量等级标准”,规范全国石斛产品评价体系。

“与众不同”的深圳拟兰

拟兰亚科物种最接近于达尔文推测的“假兰”。而“深圳拟兰”具有辐射对称的花被片、雌蕊雄蕊分离等特征,是理想的研究材料

为什么要选“深圳拟兰”来研究兰花进化?“拟兰亚科物种与小兰屿蝴蝶兰、铁皮石斛这类具有‘标准’兰花形态、结构精巧复杂的‘真兰花’相比,具有原始性状,最接近于达尔文推测的‘假兰’。‘深圳拟兰’具有辐射对称的花被片、无特化的唇瓣结构、雌蕊雄蕊分离、花粉散生为粒状、植株地生,是理想的研究材料。”刘仲健表示,“达尔文对兰花怎样起源和如何在非常短的时期内演化出如此精巧复杂、种类繁多的兰花感到非常困惑。开展深圳拟兰基因组测序研究工作,能够使我们从分子角度解开‘达尔文的困惑’”。

“深圳拟兰”的命名来源于它的发现地——深圳市。2011年,刘仲健领衔科研团队在深圳市梧桐山上发现了一种自花授粉的拟兰新物种,故以深圳市名作为它的种加词,命名为“深圳拟兰”。

研究团队采用新技术,对“深圳拟兰”进行了全基因组测序,并对已发表的小兰屿蝴蝶兰和铁皮石斛进行了重测序,取得了高质量的组装结果。研究发现,深圳拟兰的基因组大小为471.0兆,有21841个编码基因,比蝴蝶兰或铁皮石斛要少7000多个。同时研究团队还对兰科5个亚科的代表性物种进行取样,获取大量转录组数据用于基因功能分析和验证。

破解“达尔文的困惑”

研究发现,兰科植物在全基因组复制事件后形成“真”兰花,随后由于部分基因丢失,形成“假”兰花,由此修正了兰花由辐射对称向两侧对称、由简单向复杂进化的常规认知

通过对基因组功能分析,研究者发现,所有现存兰花的祖先曾在第三次生物大灭绝事件前,发生了一次全基因组复制事件,由此开启了现生兰花的起源。研究团队成员、比利时根特大学教授伊夫斯·范·德皮尔认为,正是因为兰科植物发生了全基因组重复,使得兰科植物“躲过一劫”,顺利度过了白垩纪生物大灭绝。

生物大灭绝后,地球生态系统遭到严重破坏,但兰花随即通过基因的扩张和收缩致使基因组出现分化形成了5个亚科,从而产生更多的多样性迅速适应了新的生态系统。“如果把兰科植物的基因比作一辆汽车,它平时有4个轮子可以转动,但它的多倍化使得它多了一个‘备胎’,在大灭绝时期哪怕其他4个轮子坏了,也有备胎可以及时换上。”伊夫斯·范·德皮尔认为,所有现存于地球上的兰花都是恐龙灭绝时期幸存的兰花后代。

研究团队通过基因组比较,发现兰花有474个特有基因家族,从中可窥视兰花新的基因家族及其扩张和收缩的进化历史,及其唇瓣、合蕊柱、花粉块、无胚乳种子的发育、地生与附生习性进化的分子机制。“兰花怎么来的,由哪些基因控制,它的基因‘工具包’和基因池被我们找到了。”刘仲健说。

研究人员发现,兰科植物花部器官的起源与进化,都是由MADS-Box基因控制。通过对蝴蝶兰、拟兰等相关基因分析,研究人员锁定了控制繁殖器官性状的关键基因。“拟兰的花没有唇瓣和完整的蕊柱,这是由于某些基因丢失所造成的。兰花的祖先通过全基因组复制后,复制了这些基因调控唇瓣进化,使兰花呈现出两侧对称特征,来适应昆虫传粉,增加传粉准确性。”刘仲健说,“这个发现也修正了兰花由辐射对称向两侧对称、由简单向复杂进化这个常规认知。兰科植物在全基因组复制事件后形成‘真’兰花,随后由于部分基因丢失,形成‘假’兰花,花部器官从两侧对称向辐射对称、从复杂向简单进化”。

而对于“有些兰花可附生在树上或石头上,另外一些只能在地面生长”的差异,刘仲健表示,拟兰之所以地生是由于某种特定基因控制了它的根,只能在地下生长和吸收养分;而当兰花缺乏该基因时,则会长出“气生根”,这些“气生根”发育出一种海绵状表皮,能在空气中吸收养分和储存水分,使兰花能附着在树上或石头上生存。研究发现,生境之间的巨大差异隔断了兰花种间的基因交流,更有助于促成新物种的产生。

兰之猗猗,扬扬其香。旧时之兰,恐生于幽谷无人识;如今受益于科技昌明,兰花之千年嬗变昭昭乎若揭,给人带来无限启迪。


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