还有兰花谷,中国科学家解开了兰花进化之谜

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兰谷就在深圳,兰谷就在梧桐山。我们很难想象一个物种保护的伊甸园就在繁密的高楼大厦之旁,然而,它就在那里。兰谷的正式名称是全国兰科植物种质资源保护中心,但是我们更喜欢叫她兰谷。在那里才能体会这种神奇生命与人和谐共舞的神奇氛围。

永利皇宫网址,由国家兰科中心刘仲健教授领衔比利时根特大学、台湾成功大学、中科院植物研究所、华南农业大学、日本埼玉大学等高校和科研院所组成的国际科研团队以深圳拟兰为突破口,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,并结合其它兰科和非兰科植物的转录组及其基因功能分析,揭示了兰花的起源及其花部器官发育和生长习性以及多样性形成的分子机制和演化路径,成功解开了困扰人类一百多年的兰花进化之谜。研究成果以“The
Apost asiagenome and the evolution of
orchids”为题刊登于2017年9月13日的世界顶级科技期刊Nature《自然》。

20世纪末,中国的野生兰花遭热炒,疯狂的交易带来了疯狂的采挖,整个兰花家族遭遇了灭顶之灾,某些种类一度濒临灭绝。为了保护兰花,在全国开展的《全国野生动植物保护及自然保护区建设工程》中,兰花就被列入工程保护的十五大物种之一。为了扎实做好兰科物种的保护工作,国家林业局在深圳成立了“全国兰科植物种质资源保护中心”,开展兰科物种的野外调查、保护、繁育、复壮、回归自然等一系列工作,取得了卓越的成效。

兰花有近3万种,约占开花植物物种的10%,作为植物界种类最丰富的家族之一,它生活在地球几乎每一个栖息地,呈现出巨大的多样性。兰花其花的起源、进化和多样性的形成,被称为兰花进化之谜。一百多年来,全世界无数科学家不断致力于解开这一谜团。

中国兰谷

兰科中心成功解决了因兰科植物与生境高度适应难以活体迁地保存和人工繁殖的科学难题,迁地保存了具有重要保护和科研价值的濒危兰科物种172
属1029种以及人工种质资源3000多份,并成功通过人工繁殖使保存的活体达150
多万株。其中,保存了与国宝大熊猫同一保护级别的兜兰属植物和具有重大观赏价值的兰属全世界已知的所有种类;收集和保存了兰科植物腊叶标本4130份。其中,模式标本135
份,化石标本827份,拍摄照片资料21万张,保存DNA 标本10893
份。这一大批极其珍贵的资源具有难以估量的经济价值和科学研究价值,为中国兰科植物的研究搭建了一个研究平台。兰科中心成为全国拥有兰科植物种类最多、数量最大的兰科植物种质资源库,也是世界上名列前茅的兰科植物保护中心,被誉为“中国兰谷”。

永利皇宫网址 1兰科植物保护中心培育的两种兰花,图左亨利兜兰、图右紫纹兜兰。图片来源:史军提供。

据介绍,兰科有5个亚科,包括“拟兰亚、香荚兰亚科、杓兰亚科、兰亚科和树兰亚科”。很早之前,刘仲健科研团队就已注意拟兰属物种拥有几个独特的特征而有别于其它兰花,具有与仙茅相似的“原始”性状,被认为最接近于达尔文推测的“假兰”,是研究兰花进化的好材料,但取材非常困难。

兰花的微生物朋友

兰科植物的人工栽培繁殖技术一直是园林和保护植物学研究的热点和难题,也是解决兰科植物迁地保护难题的巨大障碍。兰科植物从种子萌发到成熟植株的生长发育,各种微生物在其中扮演了重要角色。没有微生物的作用,绝大部分兰科植物都无法正常萌发生长。然而,究竟是哪些微生物参与到了兰科植物的生活史中,这些微生物是如何与兰科植物和谐相处的?这些重要的问题至今仍没有一个十分明确的答案。

微生物的传统研究方法主要是依赖将微生物进行培养和分离(culture-dependent)。然而,
到目前为止,绝大多数微生物(99%
以上)不能依靠这样的方式获得,这极大地限制了人们对微生物的研究。然而随着第二代测序技术的发展,核酸测序对微量样本的灵敏度提高,以及人们对微生物之间相互依存的互利共生关系的深入认识,一种可以对环境中所有微生物进行研究而不依赖培养的新方向——宏基因组学应运而生。我们希望了解与兰科植物共生的微生物是谁或者是哪一类,以及这些微生物有什么特点和共性。是否不同的兰科类群存在不同类型的共生微生物,兰科植物和微生物之间的关系。兰科植物和共生微生物之间是如何进行交流的,又是怎样实现“双赢”的,具体到基因上,就是哪一类基因促使他们互利共生的?

我们对55种兰科植物的根进行了共生菌的宏基因组分析,结果显示不同的兰科植物中共生菌的种类数量存在明显差别,并且在不同的生境中不同的兰科植物都有不同的菌类偏向性。我们对不同微生物对兰科植物的人工培养繁育的影响进行了研究。实验一共用30多种兰科植物进行了25种不同菌种的培养实验,发现不同的兰科植物对不同的菌有偏好性。有的还具有唯一性,缺少该菌种会造成种子不能萌发。某些菌对兰科植物的发育是存在抑制作用。同时,通过比较分析兰科植物与菌类的分类支系关系发现共生菌与兰科植物的进化存在一定的共同进化关系,从拟兰亚科-香荚兰-杓兰亚科-兰亚科-树兰亚科,从地生-附生-腐生共生菌的类别都存在一定的规律性。这些结果,为我们后期改良兰花人工栽培繁殖技术提供了极其有利的理论依据,也为兰科植物走向市场提供了有力的技术支持。

永利皇宫网址 2在兰谷大多数兰科植物处于露天生长状况,很多植物已经形成了自主繁殖的循环体系。图片来源:史军提供。

2011年,刘仲健团队在深圳市梧桐山上发现了一种拟兰新物种,将其命名为“深圳拟兰”,它的发现为兰科植物进化研究提供了很好的实验材料。研究团队在二代测序基础上,结合三代测序和相关数据对深圳拟兰、小兰屿蝴蝶兰和铁皮石斛进行基因组组装,使测序对象的基因组组装质量更高。研究团队还对兰科5个亚科的代表性物种进行取样,从而获取大量转录组数据用于基因功能分析和验证。通过基因组比较,研究团队发现兰花有474个特有基因家族,因此得以重建一个兰花祖先的基因工具包和基因池,并可从中窥视兰花新的基因家族及其扩张和收缩的进化历史,从而揭示了兰花相关性状和习性进化的分子机制。

从认识花朵到详解基因

近年来,高通量测序技术为我们兰科研究带来了新的发展前景。目前我们利用高通量测序技术对兰科植物的四个代表物种(小兰屿蝴蝶兰、铁皮石斛、深圳拟兰和深圳香荚兰)进行了基因组测序,提供了兰科植物的遗传库,这些数据库为我们深入挖掘内在基因和与微生物的共生奠定了扎实的数据基础,而且我们也已经从中初步挖掘了一些与兰科物种生态适应性、共生菌相关的抗性基因和次生代谢物相关的基因,这些基因家族成员的数量或家族中不同系统分支的分布情况和兰科物种的适应性、分布范围或与共生菌存在极大的关系,这些将大大促进我们对兰科物质中广泛分布、高度多样性和共生菌的生活类型等特点的遗传基础研究。

经过5年多的科研攻关,我们完成了小兰屿蝴蝶兰基因组测序和分析,研究成果”The
genome sequence of the orchid Phalaenopsis equestris”被Nature
Genetics
作为本期封面文章发表,并被国际权威专家以”A genome to unveil the
mysteries of
orchids”为题同步发表评论,认为是揭开了困扰人类数百年的兰花之谜,给予了极高的评价。同时,该杂志的副主编也在其网站上发表了评论,认为是科学研究的一个非常重要的成果。在此之前,文章在网上公开发表之前一个星期,Nature杂志在新闻稿中认为该成果是兰科学的一个突破。深圳市人民政府召开新闻通报会公布了这一成果。该成果同时被新华社、中央人民广播电台等全球上千家主流媒体广泛报道。

“蝴蝶兰全基因组基因图谱”是世界上第一个完成测序和分析的兰科植物和景天酸代谢(CAM)植物的基因组图谱。它的完成填补了植物基因组研究的多个空白,将使得全基因组水平对濒危兰花多样性和演化进行探索和研究得以实现,为兰花保护提供重要的理论依据和指导,对于加速兰科植物保护、兰花品种创新、推进兰花相关产业链的发展和提升我国在生物学、碳汇研究、生物多样性以及环境气候变迁等领域的研究水平具有重大的意义。该成果被评为2014年中国野生动植物保护十大事件之一。(编辑:史军、Sol_阳阳)

永利皇宫网址 3科学人主编吴欧在兰科植物保护中心的培育温室。图片来源:史军提供。

据悉,深圳拟兰有36个MADS-box功能基因,它们调控兰花的花部器官发育。研究发现,拟兰的花没有唇瓣和完整的蕊柱是由于B-AP3和E类基因丢失所造成的。而兰花的祖先通过WGD后,复制了B-AP3基因调控花瓣唇瓣化,使兰花呈现出两侧对称,形成了特异性传粉机制,促进了兰花新物种产生和多样性形成,这也是两侧对称兰花种类比辐射对称种类多的原因。这一发现颠覆了人们对兰花的进化是由辐射对称向两侧对称演化的认知,修正了达尔文关于兰花演化的假说。本研究在世界上首次完整重建了兰花进化的基因工具包和演化路线图,揭示了兰花花部器官发育的分子机制,更正了人们对兰花进化的传统认知,填补了植物学研究的多个空白,为植物进化生物学研究提供了数据基础和重要借鉴,为兰科植物形态特征的功能研究提供重要的理论依据和指导。同时,兰花全基因组序列也将为兰花遗传工程育种研究提供重要资源和基础,对于促进兰科植物保护,药用资源开发、品种创新具有重大意义。

文章题图:传统草药金线莲,史军提供。

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