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以國家蘭科中心劉仲健教授領(lǐng)銜的國際科研團(tuán)隊(duì),將“深圳擬蘭”作為突破口,通過對(duì)“深圳擬蘭”進(jìn)行全基因組測序以及小蘭嶼蝴蝶蘭、鐵皮石斛進(jìn)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(xí)性以及多樣性形成的分子機(jī)制和演化路徑,解開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,蘭花花部器官是從簡單到復(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,“通過對(duì)蘭花基因組測序和進(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,通過蘭花來研究植物如何進(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(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(gè)棲息地,呈現(xiàn)出極為豐富的多樣性。6600萬年前的白堊紀(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(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,通過蘭花來研究植物如何進(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,來自美國康奈爾大學(xué)的羅伯特·拉古索教授認(rèn)為,昆蟲對(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(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(hù)研究工作,提高蘭科植物保護(hù)水平。近年來,國家蘭科中心率先開展“國際蘭花基因組計(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(gè)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(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。研究團(tuán)隊(duì)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(xiàng)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(hào)”;制定了全國“石斛質(zhì)量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”,規(guī)范全國石斛產(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)爾文推測的‘假蘭’。‘深圳擬蘭’具有輻射對(duì)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(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(dá)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(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、由簡單向復(fù)雜進(jìn)化的常規(guī)認(rèn)知
通過對(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“躲過一劫”,順利度過了白堊紀(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(jìn)化,都是由MADS-Box基因控制。通過對(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(jìn)化,使蘭花呈現(xiàn)出兩側(cè)對(duì)稱特征,來適應(yīng)昆蟲傳粉,增加傳粉準(zhǔn)確性。”劉仲健說,“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,花部器官從兩側(cè)對(duì)稱向輻射對(duì)稱、從復(fù)雜向簡單進(jìn)化”。
而對(duì)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(dāng)蘭花缺乏該基因時(shí),則會(huì)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(chǔ)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(yáng)揚(yáng)其香。舊時(shí)之蘭,恐生于幽谷無人識(shí);如今受益于科技昌明,蘭花之千年嬗變昭昭乎若揭,給人帶來無限啟迪。
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