中國科學家解開蘭花進化之謎

　　由國家蘭科中心劉仲健教授領銜比利時根特大學、臺灣成功大學、中科院植物研究所、華南農業大學、日本埼玉大學等高校和科研院所組成的國際科研團隊以深圳擬蘭為突破口，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，并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 Apost asiagenome and the evolution of orchids”為題刊登于2017年9月13日的世界頂級科技期刊Nature《自然》。

　　蘭花有近3萬種，約占開花植物物種的10%，作為植物界種類最豐富的家族之一，它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于解開這一謎團。

　　據介紹，蘭科有5個亞科，包括“擬蘭亞、香莢蘭亞科、杓蘭亞科、蘭亞科和樹蘭亞科”。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征而有別于其它蘭花,具有與仙茅相似的“原始”性狀，被認為最接近于達爾文推測的“假蘭”，是研究蘭花進化的好材料，但取材非常困難。

　　2011年，劉仲健團隊在深圳市梧桐山上發現了一種擬蘭新物種，將其命名為“深圳擬蘭”,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于基因功能分析和驗證。通過基因組比較，研究團隊發現蘭花有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，并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。

　　據悉，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于B-AP3和E類基因丟失所造成的。而蘭花的祖先通過WGD后，復制了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，修正了達爾文關于蘭花演化的假說。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鑒，為蘭科植物形態特征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，對于促進蘭科植物保護，藥用資源開發、品種創新具有重大意義。