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中国学者破解兰花进化的百年谜团

2017年09月14日 13:00 来源于 财新网
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深圳拟兰的研究,解开了达尔文的“令人讨厌之谜”

  整理 | 叶水送

  作品来源:《知识分子》(微信公号:The-Intellectual)

  兰花千姿百态,古今中外都被作为名贵的观赏植物。目前,全球兰花有近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,它们成功地生活在地球上每一个角落,并呈现出巨大的多样性。

  1859年,达尔文完成了旷世巨作《物种起源》后,随后开始着迷于对兰花的研究。

  1862年,在一本有关兰花的著作中,他写到,“在对兰花的研究中,几乎没什么事实让我感到如此震惊: 兰花结构的多样性,都是基于同一个目的: 一朵花接受另一朵花的授粉。”

  为什么达尔文对兰花如此痴迷?因为对形态多样的兰花的研究,可帮助他进一步完善自然选择和进化方面的理论。但达尔文并没有找到他想要的答案。

  由此,兰花的起源、进化和多样性的形成,被达尔文称为“令人讨厌之谜”。100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。

  深圳拟兰的研究,揭开兰花进化的百年谜团

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深圳拟兰的全基因组测序,对揭示兰科植物进化具有重要意义,图片截自nature.com

  9月13日,国家兰科中心刘仲健教授领衔的国际研究团队以深圳拟兰(Apostasia shenzhenica)为主要研究对象,并结合其它兰科和非兰科植物的转录组及基因功能分析,揭示了兰花的起源及其花部器官发育、生长习性以及多样性形成的分子机制和演化路径,相关研究发表在国际顶级学术期刊《自然》杂志上。

  《知识分子》编辑第一时间,联系上了这项研究的通讯作者刘仲健。他表示:

  “这项研究是‘国际兰科植物基因组重大项目’的一部分,该项目选择兰科五个亚科的代表性物种进行全基因组测序。事实上,我们之前已完成了对小兰屿蝴蝶兰和铁皮石斛基因组测序,相关成果分别发表在Nature Genetics和Scientific Reports,深圳拟兰基因组研究成果是该重大项目的成果之一。”

  为什么要选深圳拟兰来研究兰花的进化之谜? 刘仲健表示,“我们此前已发表的两个兰科基因组物种属于树兰亚科,该类群具有‘标准’的兰花形态,花的结构非常精巧复杂;而深圳拟兰属于拟兰亚科物种,为‘原始’的兰花形态,花的结构相对简单。达尔文对兰花怎样起源和如何在非常短的时期内演化出如此精巧复杂,且种类繁多的兰花感到非常困惑。我们通过该研究成功地解答了这一‘达尔文的困惑’。”

  拟兰属物种拥有几个独特的特征而有别于其它兰花:花不扭转,辐射对称,无唇状花瓣,蕊柱为雄蕊和雌蕊部分合生,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,因此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。

  2011年,刘仲健领衔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)”。这是一种自花授精的物种,它的发现为兰科植物进化研究提供了很好的实验材料。

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兰科植物形态进化与花器官发育调控基因(MADS-box)有关,图片来自Zhang GQ et al. 2017. nature.

  兰花为何在第三次生物大灭绝中幸存下来?

  研究团队通过对深圳拟兰进行全基因组测序,以及对小兰屿蝴蝶兰(Phalaenopsis equestris)、铁皮石斛(Dendrobium catenatum)进行全基因组重测序,发现所有现存兰花的祖先曾在第三次生物大灭绝事件(6600万年前)之前发生了一次全基因组复制事件,开启了现生兰花的起源。

  全基因组复制事件使得兰花的祖先多了一套基因,成功躲过了此次大灭绝。而众所周知的恐龙以及绝大多数物种,则在此次物种大灭绝中,未能幸免。

  生物大灭绝后生态系统遭到严重破坏,但兰花通过基因的扩张和收缩致使基因组形成了5个亚科,产生更多的多样性,迅速地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。

  通过对深圳拟兰与其它兰花以及被子植物的基因组比较,研究者发现兰花有474个特有基因家族,从中可窥视兰花新的基因家族及其扩张和收缩的进化历史,以及揭示了其唇瓣、合蕊柱、花粉块、无胚乳种子的发育、地生与附生习性进化的分子机制。

  为何有些兰花攀缘生长,有些则只能匍匐在地?

  这项研究还通过兰花基因组分析,揭示了其诸多有意思的性状。如为什么有些兰花可附生在树上或石头上,而另外一些兰花则只能地面生长。经研究发现,拟兰之所以地生是由于AGL12基因控制了它的根,只能在地下生长和吸收养分。

  而当兰花缺乏AGL12-like基因时,兰花则生长出气生根,这些附生的气生根发育出一种海绵状表皮,能在空气中吸收养分和储存水分,致使兰花能附着在树上或石上生长。事实上,这些生境之间存在很大差异,容易隔断兰花种间的基因交流(即生境隔离),有助于促进新物种的产生。

  这项研究对揭示兰科植物进化具有重要意义,刘仲健表示:

  不仅首次完整重建了兰花进化的基因工具包和演化的路线图,还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,同时也为兰花保护提供重要的理论依据和指导。

  兰科植物进化问题的成功解析,离不开一个紧密合作的国际研究团队。刘仲健表示:

  我和我的团队领衔这一研究,负责整个项目方案设计、组织实施以及项目管理,比利时Yves Van de Peer教授及其团队负责基因组复制事件分析,中国科学院植物所罗毅波教授团队、台湾蔡文杰教授团队以及日本叶颛铭团队则负责转录组功能的分析。

  对兰科植物的研究,未来会有哪些新方向?刘仲健对《知识分子》表示,“我们将继续完成‘国际兰科植物基因组重大项目’中其余兰科物种的基因组测序,并构建全兰科大数据平台,以及开展‘兰花基因组测序和基因编辑计划’”。

  参考资料:

  Zhang GQ, Liu ZJ et al. he Apostasia genome and the evolution of orchids. 2017. Nature. doi:10.1038/nature23897.

  《知识分子》是由饶毅、鲁白、谢宇三位学者创办的移动新媒体平台,致力于关注科学、人文、思想

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责任编辑:于达维 | 版面编辑:许金玲
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