中國科研團隊解開蘭花進化之謎

央廣網深圳9月14日消息（記者李強 通訊員劉國惠 黃慧霞）記者獲悉，國家蘭科中心劉仲健教授領銜比利時根特大學、台灣成功大學、中科院植物研究所、華南農業大學、日本埼玉大學、福建農林大學、清華大學等高校和科研院所組成的國際科研團隊以深圳擬蘭Apostasia shenzhenica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Phalaenopsis equestris、鐵皮石斛Dendrobium catenatum進行全基因組重測序，並結合其它蘭科和非蘭科植物的轉錄組及其基因功能分析，揭示了蘭花的起源及其花部器官發育和生長習性以及多樣性形成的分子機制和演化路徑，成功解開了困擾人類一百多年的蘭花進化之謎。研究成果以“The Apostasia genome and the evolution of orchids”為題於2017年9月13日登上了世界頂級科技期刊Nature《自然》。

本研究在世界上首次完整重建了蘭花進化的基因工具包和演化路線圖，揭示了蘭花花部器官發育的分子機制，更正了人們對蘭花進化的傳統認知，填補了植物學研究的多個空白，為植物進化生物學研究提供了數據基礎和重要借鑑，為蘭科植物形態特徵的功能研究提供重要的理論依據和指導。同時，蘭花全基因組序列也將為蘭花遺傳工程育種研究提供重要資源和基礎，對於促進蘭科植物保護，藥用資源開發、品種創新具有重大意義。

蘭花有近3萬種，約佔開花植物物種的10%，作為植物界種類最豐富的家族之一，它呈現出獨特的花的形態，有一唇瓣，蕊柱，花粉塊，種子塵狀無胚乳，可在地上或樹上、石上生長，從而成功地生活在地球幾乎每一個棲息地，呈現出巨大的多樣性。蘭花其花的起源、進化和多樣性的形成，被稱為蘭花進化之謎。一百多年來，全世界無數科學家不斷致力於解開這一謎團，均未取得突破性進展。

蘭科有5個亞科：擬蘭亞科Apostasioideae、香莢蘭亞科Vanilloideae、杓蘭亞科Cypripedioideae、蘭亞科Orchidoideae和樹蘭亞科Epidendroideae。很早之前，劉仲健科研團隊就已注意擬蘭屬物種擁有幾個獨特的特徵而有別於其它蘭花：花不扭轉，輻射對稱，無唇瓣，雄蕊和雌蕊分生，花粉粒散生、沒有聚集成塊狀；植株地生，具有發達的地下根。擬蘭具有與仙茅相似的“原始”性狀，被認為最接近於達爾文推測的“假蘭”，是研究蘭花進化的好材料，但取材非常困難。2011年，劉仲健科研團隊在深圳市梧桐山上發現了一種擬蘭新物種，以“深圳市”市名作為它的種加詞命名為“深圳擬蘭Apostasia shenzhenica Z. J. Liu & L. J. Chen”。深圳擬蘭是一個自花授精的物種，它的發現為蘭科植物進化研究提供了很好的實驗材料。

研究團隊在二代測序基礎上，結合三代測序和相關數據對深圳擬蘭、小蘭嶼蝴蝶蘭和鐵皮石斛進行基因組組裝，使測序對象的基因組組裝質量更高。研究團隊還對蘭科5個亞科的代表性物種進行取樣,從而獲取大量轉錄組數據用於基因功能分析和驗證。

研究還發現所有現存蘭花的祖先曾在6600萬年前的第三次生物大滅絕事件前發生了一次全基因組複製（即基因組加倍,WGD）事件，由此開啓了現生蘭花的起源。全基因組複製事件後使蘭花的祖先多了一套基因，成功躲過了此次大滅絕。生物大滅絕後地球生態系統遭到嚴重破壞，但蘭花隨即通過基因的擴張和收縮致使基因組出現了分化而形成了5個亞科，產生更多的多樣性而迅速適應了新的生態系統。因此所有現存於地球上的蘭花都是恐龍滅絕時期倖存的蘭花後代。

研究團隊通過基因組比較，發現蘭花有474個特有基因家族，因此得以重建一個蘭花祖先的基因工具包和基因池，並可從中窺視蘭花新的基因家族及其擴張和收縮的進化歷史，從而揭示了蘭花相關性狀和習性進化的分子機制。深圳擬蘭有36個MADS-box功能基因，它們調控蘭花的花部器官發育。研究發現，擬蘭的花沒有唇瓣和完整的蕊柱是由於B-AP3和E類基因丟失所造成的。而蘭花的祖先通過WGD後，複製了B-AP3基因調控花瓣唇瓣化，使蘭花呈現出兩側對稱，形成了特異性傳粉機制，促進了蘭花新物種產生和多樣性形成，這也是兩側對稱蘭花種類比輻射對稱種類多的原因。這一發現顛覆了人們對蘭花的進化是由輻射對稱向兩側對稱演化的認知，修正了達爾文關於蘭花演化的假説。

研究發現，擬蘭的花粉呈現散生狀態是由P-和S-subclades基因調控的結果，而花粉粘合成花粉塊正是P-subclade基因丟失所造成的。花粉塊的形成，是蘭科進化史上的一項關鍵創新，這是花粉塊形成後產生了花朵間一對一的傳粉模式，促成了生殖隔離從而有助於新物種形成。不像擬蘭那樣一朵花的花粉可以散播給許多朵花傳粉而造成後代同質化。

蘭科進化的一個關鍵性狀是種子缺乏胚乳。研究發現，植物種子的胚乳發育是由typeI Mβ MADS-box基因調控的，而蘭花的種子沒有胚乳是由於缺少了這一類基因。沒有胚乳種子使自身體積變得非常細小而可以遠距離傳播和降落到樹上或石頭上。

研究發現，擬蘭之所以地生是由AGL12基因控制了它的根只能在地下生長和吸收養分。而當蘭花缺乏AGL12-like基因時，蘭花則生長出氣生根，這些根發育出一種海綿狀表皮，能在空氣中吸收養分和儲存水分，致使蘭花能附着在樹上或石上生長。這種附生特性的形成，可使蘭花利用其它植物所不能利用的生境進行生長。這些生境之間存在很大差異，容易隔斷蘭花物種的基因交流（即生境隔離），有助於促進新物種的產生。

本研究得到國家林業局、廣東省林業廳、廣東省科技廳、深圳市城管局（林業局）、深圳市人居環境委、深圳市科創委、深圳市財委、深圳市工貿信息委、深圳市國資委以及深圳市投資控股有限公司的支持。