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前沿深圳破解兰花进化“百年谜团”,首次完整组建兰花演化路线图,修正达尔文有关假说

深圳科技创新 2021-09-10 13:04:23

刘仲健教授领衔的国际科研团队以“深圳拟兰”为突破口,成功解开了困扰人类100多年的兰花进化之谜。图为深圳拟兰。 深圳商报记者廖万育 通讯员 崔嵩 摄

9月14日,“深圳拟兰基因组与兰花的进化”重大科研成果新闻发布会在市民中心举行,以国家兰科中心刘仲健教授领衔的国际科研团队,以“深圳拟兰”为突破口,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《拟兰基因组与兰花进化》(The Apostasia genome and the evolution of orchids)为题,于9月13日登上了世界顶级科技期刊《自然》。据了解,近年来有多位深圳科学家的研究成果登上《自然》。


深圳市委常委、市政府党组成员刘庆生,深圳市兰科植物保护研究中心(以下简称“兰科中心”)主任刘仲健出席了发布会。本研究得到国家林业局、广东省林业厅、广东省科技厅、深圳市城管局(林业局)、深圳市人居环境委、深圳市科创委、深圳市财委、深圳市经贸信息委、深圳市国资委以及深圳市投资控股有限公司的支持。


在全球首次完整重建

兰花进化基因工具包


据了解,该项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。


“我们搞清楚了兰花怎么来的,是哪些基因控制的,因为它的工具包被我们找到了。”刘仲健介绍,通过基因组比较,他们发现兰花有474个特有基因家族,相当于重建了一个兰花祖先的基因工具包和基因池,可从中窥视兰科植物基因家族进化的历史和相关性状的分子机制。


以“深圳拟兰”为突破

修正达尔文有关假说


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,它呈现出独特的花的形态,有一唇瓣,蕊柱,花粉块,种子尘状无胚乳,可在地上或树上、石上生长,从而成功地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,均未取得突破性进展。


在此背景下,刘仲健科研团队注意到属于兰花5个亚科之一的拟兰属物种拥有几个独特的特征而有别于其他兰花:花不扭转,辐射对称,无唇瓣,雄蕊和雌蕊分生,花粉粒散生、没有聚集成块状;植株地生,具有发达的地下根。拟兰具有与仙茅相似的“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,刘仲健科研团队在深圳市梧桐山上发现了一种拟兰新物种,以“深圳市”市名作为它的种加词命名为“深圳拟兰(Apostasia shenzhenica Z·J·Liu & L·J·Chen)”。深圳拟兰是一个自花授精的物种,它的发现为兰科植物进化研究提供了很好的实验材料。


据介绍,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。


刘仲健说,唇瓣是一个里程碑式的进化,可以吸引蜜蜂等特异的传粉者,唇瓣也使得兰花变成两侧对称,增加了昆虫传粉的准确性,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。


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。


研究还发现,所有现存兰花的祖先曾在6600万年前的第三次生物大灭绝事件前,发生了一次全基因组复制(即基因组加倍,WGD)事件,由此开启了现生兰花的起源。全基因组复制事件后使兰花的祖先多了一套基因,成功躲过了此次大灭绝。兰花随即通过基因的扩张和收缩致使基因组出现了分化而形成了5个亚科,产生更多的多样性而迅速适应了新的生态系统。因此所有现存于地球上的兰花都是恐龙灭绝时期幸存的兰花后代。


是深圳对世界植物学

作出新的重大贡献


刘庆生在发布会上表示,兰科中心领衔国内外多家科研院所和高校,以“深圳拟兰”为突破口,成功解开了兰花进化之谜,取得了突破性成果。研究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,为植物保护和进化生物学研究提供了科学数据和重要借鉴。成果对于促进兰科植物保护、推动我市植物学科学发展具有重要意义,也可以说这是深圳对世界植物学作出新的重大贡献。


据了解,兰科中心坐落于罗湖区梧桐山脚下,是保护濒危兰科植物物种最多的基地之一。在这个800多亩的兰科中心里,能找到1000多种兰花,包括被称为植物界“大熊猫”的兜兰。


为掌握我国野外兰科植物资源状况,兰科中心成立了一支专业的兰科植物野外考察队。这支“护花”队伍每年深入深山密林开展野外调查,曾到云南、贵州、四川、甘肃、青海、西藏等地考察。截至目前,共发现兰科2个新亚族,10个新属,2个中国新分布属,80多个新分类群。对于在野外发现的兰花,考察队将部分移植回兰科中心进行保护、研究、繁育。


前,兰科中心已收集保存的国家和国际一级和二级保护的濒危兰科植物物种1200多种,特别是国际一级濒危物种兜兰属植物已基本收齐,成为世界上收集中国兰科植物物种最多的研究机构。这一大批极其珍贵的资源,具有难以估量的社会价值、经济价值和科学研究价值。



(来源:深圳商报 记者:文灿)



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