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中国科学家解开兰花进化之谜

2017-09-28 阅读数:63 中青在线 中青在线

中青在线深圳9月14日电(中国青年报·中青在线记者 武欣中)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》。

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。

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。

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。

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。


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