「國際蘭科植物基因組重大項目」成果解開「達爾文的困惑」

　　▲ 深圳擬蘭。

　　? 位於廣東深圳市的國家蘭科中心。經濟日報記者 喻 劍攝

　　劉仲健教授在深圳擬蘭基因組和蘭花進化研究成果新聞發布會現場，介紹研究成果。 經濟日報記者 楊陽騰攝

　　以國家蘭科中心劉仲健教授領銜的國際科研團隊，將「深圳擬蘭」作為突破口，通過對「深圳擬蘭」進行全基因組測序以及小蘭嶼蝴蝶蘭、鐵皮石斛進行全基因組重測序，並結合其它蘭科植物的轉錄組及基因功能分析，揭示了蘭花的起源及其花部器官發育、生長習性以及多樣性形成的分子機制和演化路徑，解開了困擾人類百餘年的蘭花進化之謎。近日，這一研究成果通訊刊發於世界頂級科技期刊《自然》雜誌

　　「按照達爾文關於蘭科植物花結構進化的假說，蘭花花部器官是從簡單到複雜、從輻射對稱到兩側對稱、雌蕊和雄蕊從離生到合生，我們的研究修正了這一認知。」劉仲健教授領銜的國際科研團隊成員之一、深圳市瀕危蘭科植物保護與利用重點實驗室王潔雨博士告訴《經濟日報》記者，「通過對蘭花基因組測序和進化研究，讓我們知道蘭花為何有這麼豐富的多樣性，為我們後續運用大數據評估，制定蘭花保護策略提供了依據；同時，我們獲得了控制蘭花性狀的一系列基因，這為今後的分子育種和基因編輯提供了基礎和『工具包』，便於進一步開發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，科學家仍然循著達爾文的步伐，通過蘭花來研究植物如何進化及適應地球變化多樣的環境

　　蘭花有著珍貴的藝術價值，兼具重要的藥用和經濟價值，是我國的重要種質資源。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，約佔開花植物物種的10%。它呈現出獨特的形態：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，可適應不同的氣溫、溼度與光照條件，幾乎能存活在地球每一個棲息地，呈現出極為豐富的多樣性。6600萬年前的白堊紀時期，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至今。

　　蘭科植物是研究生物多樣性和進化的理想模式植物。1859年，達爾文完成巨製《物種起源》後，開始著迷於研究蘭花。他在一本有關蘭花的著作中寫道：「在對蘭花的研究中，最讓我感到震驚的是，蘭花結構的多樣性都是基於同一個目的：完成兩朵花之間的授粉。」對形態多樣的蘭花研究，幫助達爾文完善自然選擇和進化方面的理論。直至今日，科學家仍然循著達爾文的步伐，通過蘭花來研究植物如何進化及適應地球變化多樣的環境。

　　不久前，在國家蘭科中心舉辦的蘭花基因組學與多樣性保護會議上，來自美國康奈爾大學的羅伯特·拉古索教授認為，昆蟲對蘭花氣味的偏好推動了蘭科植物與傳粉者的生物多樣性與協同進化。中科院植物研究所的張武凡博士以四川黃龍自然保護區內的蘭科植物為研究對象，認為不同種類的蘭科植物通過散發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，從生態角度揭示了蘭花通過氣味信號對傳粉者作出的篩選。

　　然而，對於蘭科植物相關基因的功能研究目前仍然十分匱乏。2006年，國家林業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資源保護研究工作，提高蘭科植物保護水平。近年來，國家蘭科中心率先開展「國際蘭花基因組計劃」，完成世界首個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」，填補了植物基因組研究的多個空白，並已收集保存國產和國外蘭科植物以及種質資源樣本27864份。

　　蘭花有5個亞科：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於《自然》雜誌旗下的《自然遺傳學》和《科學報導》。研究成果顯示，鐵皮石斛與蝴蝶蘭擁有幾乎相同的基因數量，但鐵皮石斛具有廣泛的生態適應性基因調控機制，有極強應對逆境的能力和防止病原物侵害的免疫能力，可在高溫、寒冷、高溼或乾旱的環境中生長。研究團隊利用測序的分子數據開展了鐵皮石斛開發利用研究，取得多項成果：通過分子育種，選育出具有有效活性成分、易栽培難仿冒的優良品種「深蘭1號」；制定了全國「石斛質量等級標準」，規範全國石斛產品評價體系。

　　「與眾不同」的深圳擬蘭

　　擬蘭亞科物種最接近於達爾文推測的「假蘭」。而「深圳擬蘭」具有輻射對稱的花被片、雌蕊雄蕊分離等特徵，是理想的研究材料

　　為什麼要選「深圳擬蘭」來研究蘭花進化？「擬蘭亞科物種與小蘭嶼蝴蝶蘭、鐵皮石斛這類具有『標準』蘭花形態、結構精巧複雜的『真蘭花』相比，具有原始性狀，最接近於達爾文推測的『假蘭』。『深圳擬蘭』具有輻射對稱的花被片、無特化的唇瓣結構、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，「達爾文對蘭花怎樣起源和如何在非常短的時期內演化出如此精巧複雜、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『達爾文的困惑』」。

　　「深圳擬蘭」的命名來源於它的發現地——深圳市。2011年，劉仲健領銜科研團隊在深圳市梧桐山上發現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」。

　　研究團隊採用新技術，對「深圳擬蘭」進行了全基因組測序，並對已發表的小蘭嶼蝴蝶蘭和鐵皮石斛進行了重測序，取得了高質量的組裝結果。研究發現，深圳擬蘭的基因組大小為471.0兆，有21841個編碼基因，比蝴蝶蘭或鐵皮石斛要少7000多個。同時研究團隊還對蘭科5個亞科的代表性物種進行取樣，獲取大量轉錄組數據用於基因功能分析和驗證。

　　破解「達爾文的困惑」

　　研究發現，蘭科植物在全基因組複製事件後形成「真」蘭花，隨後由於部分基因丟失，形成「假」蘭花，由此修正了蘭花由輻射對稱向兩側對稱、由簡單向複雜進化的常規認知

　　通過對基因組功能分析，研究者發現，所有現存蘭花的祖先曾在第三次生物大滅絕事件前，發生了一次全基因組複製事件，由此開啟了現生蘭花的起源。研究團隊成員、比利時根特大學教授伊夫斯·范·德皮爾認為，正是因為蘭科植物發生了全基因組重複，使得蘭科植物「躲過一劫」，順利度過了白堊紀生物大滅絕。

　　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分化形成了5個亞科，從而產生更多的多樣性迅速適應了新的生態系統。「如果把蘭科植物的基因比作一輛汽車，它平時有4個輪子可以轉動，但它的多倍化使得它多了一個『備胎』，在大滅絕時期哪怕其他4個輪子壞了，也有備胎可以及時換上。」伊夫斯·范·德皮爾認為，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，從中可窺視蘭花新的基因家族及其擴張和收縮的進化歷史，及其唇瓣、合蕊柱、花粉塊、無胚乳種子的發育、地生與附生習性進化的分子機制。「蘭花怎麼來的，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。

　　研究人員發現，蘭科植物花部器官的起源與進化，都是由MADS-Box基因控制。通過對蝴蝶蘭、擬蘭等相關基因分析，研究人員鎖定了控制繁殖器官性狀的關鍵基因。「擬蘭的花沒有唇瓣和完整的蕊柱，這是由於某些基因丟失所造成的。蘭花的祖先通過全基因組複製後，複製了這些基因調控唇瓣進化，使蘭花呈現出兩側對稱特徵，來適應昆蟲傳粉，增加傳粉準確性。」劉仲健說，「這個發現也修正了蘭花由輻射對稱向兩側對稱、由簡單向複雜進化這個常規認知。蘭科植物在全基因組複製事件後形成『真』蘭花，隨後由於部分基因丟失，形成『假』蘭花，花部器官從兩側對稱向輻射對稱、從複雜向簡單進化」。

　　而對於「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於某種特定基因控制了它的根，只能在地下生長和吸收養分；而當蘭花缺乏該基因時，則會長出「氣生根」，這些「氣生根」發育出一種海綿狀表皮，能在空氣中吸收養分和儲存水分，使蘭花能附著在樹上或石頭上生存。研究發現，生境之間的巨大差異隔斷了蘭花種間的基因交流，更有助於促成新物種的產生。

　　蘭之猗猗，揚揚其香。舊時之蘭，恐生於幽谷無人識；如今受益於科技昌明，蘭花之千年嬗變昭昭乎若揭，給人帶來無限啟迪。（經濟日報·中國經濟網記者 喻 劍）

（責任編輯：梁靖雪）