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晋鹏

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[交流] [优秀文章推荐] 中国科学家在Nature发文解开兰花进化的百年谜团已有1人参与

      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。

      据了解，兰科有5个亚科：拟兰亚科Apostasioideae、香荚兰亚科Vanilloideae、杓兰亚科Cypripedioideae、兰亚科Orchidoideae和树兰亚科Epidendroideae。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：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。

      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。生物大灭绝后地球生态系统遭到严重破坏，但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。

研究团队通过基因组比较，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。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。

此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。

Constituting approximately 10% of flowering plant species, orchids (Orchidaceae) display unique flower morphologies, possess an extraordinary diversity in lifestyle, and have successfully colonized almost every habitat on Earth. Here we report the draft genome sequence of Apostasia shenzhenica4, a representative of one of two genera that form a sister lineage to the rest of the Orchidaceae, providing a reference for inferring the genome content and structure of the most recent common ancestor of all extant orchids and improving our understanding of their origins and evolution. In addition, we present transcriptome data for representatives of Vanilloideae, Cypripedioideae and Orchidoideae, and novel third-generation genome data for two species of Epidendroideae, covering all five orchid subfamilies. A. shenzhenica shows clear evidence of a whole-genome duplication, which is shared by all orchids and occurred shortly before their divergence. Comparisons between A. shenzhenica and other orchids and angiosperms also permitted the reconstruction of an ancestral orchid gene toolkit. We identify new gene families, gene family expansions and contractions, and changes within MADS-box gene classes, which control a diverse suite of developmental processes, during orchid evolution. This study sheds new light on the genetic mechanisms underpinning key orchid innovations, including the development of the labellum and gynostemium, pollinia, and seeds without endosperm, as well as the evolution of epiphytism; reveals relationships between the Orchidaceae subfamilies; and helps clarify the evolutionary history of orchids within the angiosperms.

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