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【人民网】“深圳拟兰”助力解开世界级科学谜团

信息来源:人民网 信息提供日期:2017-09-15 【字体: 视力保护色:

  兰花在日常生活中很普及,但关于兰花的进化却是一个困扰了人们一个多世纪的科学谜团。就在近日,由深圳市兰科植物保护研究中心领衔组成的国际科研团队解开了这一谜团,备受世界关注。在昨日举行的“深圳拟兰基因组与兰花的进化”重大科研成果新闻发布会上,深圳市兰科植物保护研究中心主任刘仲健教授对兰花进化之谜进行了解读。

  深圳专家发掘“深圳拟兰” 提供试验材料

  兰花有近3万种,约占开花植物物种的10%,是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,呈现出巨大的多样性。刘仲健教授介绍,达尔文提出进化论后,迫切需要一个模式性的类群来验证物种起源的假说,所以他选择了兰科植物。但是有两个问题一直困扰着他:为什么兰花物种数量如此丰富,兰花的花怎么进化而来的。

  在这样的背景下,很早之前,刘仲健科研团队就注意到兰科5个亚科之一的拟兰属物种拥有几个独特的特征,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”市名作为它的种加词命名为“深圳拟兰”。这是一个自花受精的物种,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。

  通过基因揭示兰花多样性地生或附生奥妙

  据悉,该项研究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。

  研究得知,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。

  拟兰的花粉呈现散生状态是由P-和S-subclades基因调控的结果,而花粉粘合成花粉块正是P-subclade基因丢失所造成的。花粉块的形成,是兰科进化史上的一项关键创新,这是花粉块形成后产生了花朵间一对一的传粉模式,促成了生殖隔离从而有助于新物种形成。不像拟兰那样一朵花的花粉可以散播给许多朵花传粉而造成后代同质化。

  拟兰之所以地生是由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。这种附生特性的形成,可使兰花利用其它植物所不能利用的生境进行生长。这些生境之间存在很大差异,容易隔断兰花物种的基因交流(即生境隔离),有助于促进新物种的产生。

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