?深圳擬蘭于2011年由劉仲健等人在深圳市梧桐山上被發(fā)現(xiàn)
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蘭花千姿百態(tài)，古今中外都被作為名貴的觀賞植物。目前，全球蘭花有近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，它們成功地生活在地球上每一個角落，并呈現(xiàn)出巨大的多樣性。
1859年，達(dá)爾文完成了曠世巨作《物種起源》后，隨后開始著迷于對蘭花的研究。
1862年，在一本有關(guān)蘭花的著作中，他寫到，“在對蘭花的研究中，幾乎沒什么事實讓我感到如此震驚: 蘭花結(jié)構(gòu)的多樣性，都是基于同一個目的: 一朵花接受另一朵花的授粉。”
?100多年前，達(dá)爾文著迷于蘭花豐富的結(jié)構(gòu)，圖片來自flickr.com
為什么達(dá)爾文對蘭花如此癡迷？因為對形態(tài)多樣的蘭花的研究，可幫助他進(jìn)一步完善自然選擇和進(jìn)化方面的理論。但達(dá)爾文并沒有找到他想要的答案。
由此，蘭花的起源、進(jìn)化和多樣性的形成，被達(dá)爾文稱為“令人討厭之謎”。100多年來，全世界無數(shù)科學(xué)家不斷致力于解開這一謎團(tuán)，均未取得突破性進(jìn)展。
1深圳擬蘭的研究，揭開蘭花進(jìn)化的百年謎團(tuán)
?深圳擬蘭的全基因組測序，對揭示蘭科植物進(jìn)化具有重要意義，圖片截自nature.com
9月13日，國家蘭科中心劉仲健教授領(lǐng)銜的國際研究團(tuán)隊以深圳擬蘭（Apostasia shenzhenica）為主要研究對象，并結(jié)合其它蘭科和非蘭科植物的轉(zhuǎn)錄組及基因功能分析，揭示了蘭花的起源及其花部器官發(fā)育、生長習(xí)性以及多樣性形成的分子機(jī)制和演化路徑，相關(guān)研究發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。
《知識分子》編輯第一時間，聯(lián)系上了這項研究的通訊作者劉仲健。他表示：
“這項研究是‘國際蘭科植物基因組重大項目’的一部分，該項目選擇蘭科五個亞科的代表性物種進(jìn)行全基因組測序。事實上，我們之前已完成了對小蘭嶼蝴蝶蘭和鐵皮石斛基因組測序，相關(guān)成果分別發(fā)表在Nature Genetics和Scientific Reports，深圳擬蘭基因組研究成果是該重大項目的成果之一?！?/p>
為什么要選深圳擬蘭來研究蘭花的進(jìn)化之謎? 劉仲健表示，“我們此前已發(fā)表的兩個蘭科基因組物種屬于樹蘭亞科，該類群具有‘標(biāo)準(zhǔn)’的蘭花形態(tài)，花的結(jié)構(gòu)非常精巧復(fù)雜；而深圳擬蘭屬于擬蘭亞科物種，為‘原始’的蘭花形態(tài)，花的結(jié)構(gòu)相對簡單。達(dá)爾文對蘭花怎樣起源和如何在非常短的時期內(nèi)演化出如此精巧復(fù)雜，且種類繁多的蘭花感到非常困惑。我們通過該研究成功地解答了這一‘達(dá)爾文的困惑’?！?/p>
擬蘭屬物種擁有幾個獨特的特征而有別于其它蘭花：花不扭轉(zhuǎn)，輻射對稱，無唇狀花瓣，蕊柱為雄蕊和雌蕊部分合生，花粉粒散生，沒有聚集成塊狀；植株地生，具有發(fā)達(dá)的地下根。擬蘭具有與仙茅相似的“原始”性狀，因此被認(rèn)為最接近于達(dá)爾文推測的“假蘭”，是研究蘭花進(jìn)化的好材料。
2011年，劉仲健領(lǐng)銜科研團(tuán)隊在深圳市梧桐山上發(fā)現(xiàn)了一種擬蘭新物種，以“深圳市”市名作為它的種加詞，命名為“深圳擬蘭（Apostasia shenzhenica Z. J. Liu & L. J. Chen）”。這是一種自花授精的物種，它的發(fā)現(xiàn)為蘭科植物進(jìn)化研究提供了很好的實驗材料。
?很多蘭花是極具觀賞價值的花卉，圖為小蘭嶼蝴蝶
?蘭科植物形態(tài)進(jìn)化與花器官發(fā)育調(diào)控基因(MADS-box)有關(guān)，圖片來自Zhang GQ et al. 2017. nature.
2蘭花為何在第三次生物大滅絕中幸存下來？
研究團(tuán)隊通過對深圳擬蘭進(jìn)行全基因組測序，以及對小蘭嶼蝴蝶蘭（Phalaenopsis equestris）、鐵皮石斛（Dendrobium catenatum）進(jìn)行全基因組重測序，發(fā)現(xiàn)所有現(xiàn)存蘭花的祖先曾在第三次生物大滅絕事件（6600萬年前）之前發(fā)生了一次全基因組復(fù)制事件，開啟了現(xiàn)生蘭花的起源。
?在蜜蜂琥珀化石中，一種已滅絕的無刺蜜蜂背上附著蘭花花粉，圖片來自livescience.com
全基因組復(fù)制事件使得蘭花的祖先多了一套基因，成功躲過了此次大滅絕。而眾所周知的恐龍以及絕大多數(shù)物種，則在此次物種大滅絕中，未能幸免。
生物大滅絕后生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞，但蘭花通過基因的擴(kuò)張和收縮致使基因組形成了5個亞科，產(chǎn)生更多的多樣性，迅速地適應(yīng)了新的生態(tài)系統(tǒng)。因此所有現(xiàn)存于地球上的蘭花都是恐龍滅絕時期幸存的蘭花后代。
通過對深圳擬蘭與其它蘭花以及被子植物的基因組比較，研究者發(fā)現(xiàn)蘭花有474個特有基因家族，從中可窺視蘭花新的基因家族及其擴(kuò)張和收縮的進(jìn)化歷史，以及揭示了其唇瓣、合蕊柱、花粉塊、無胚乳種子的發(fā)育、地生與附生習(xí)性進(jìn)化的分子機(jī)制。
3為何有些蘭花攀緣生長，有些則只能匍匐在地？
這項研究還通過蘭花基因組分析，揭示了其諸多有意思的性狀。如為什么有些蘭花可附生在樹上或石頭上，而另外一些蘭花則只能地面生長。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，擬蘭之所以地生是由于AGL12基因控制了它的根，只能在地下生長和吸收養(yǎng)分。
?蘭科植物生活環(huán)境復(fù)雜多樣，既可攀緣生長，也可在地面或石頭上生長
而當(dāng)蘭花缺乏AGL12-like基因時，蘭花則生長出氣生根，這些附生的氣生根發(fā)育出一種海綿狀表皮，能在空氣中吸收養(yǎng)分和儲存水分，致使蘭花能附著在樹上或石上生長。事實上，這些生境之間存在很大差異，容易隔斷蘭花種間的基因交流（即生境隔離），有助于促進(jìn)新物種的產(chǎn)生。
這項研究對揭示蘭科植物進(jìn)化具有重要意義，劉仲健表示：
不僅首次完整重建了蘭花進(jìn)化的基因工具包和演化的路線圖，還揭示了蘭花花部器官發(fā)育的分子機(jī)制，更正了人們對蘭花進(jìn)化的傳統(tǒng)認(rèn)知，填補(bǔ)了植物學(xué)研究的多個空白，同時也為蘭花保護(hù)提供重要的理論依據(jù)和指導(dǎo)。
蘭科植物進(jìn)化問題的成功解析，離不開一個緊密合作的國際研究團(tuán)隊。劉仲健表示：
我和我的團(tuán)隊領(lǐng)銜這一研究，負(fù)責(zé)整個項目方案設(shè)計、組織實施以及項目管理，比利時Yves Van de Peer教授及其團(tuán)隊負(fù)責(zé)基因組復(fù)制事件分析，中國科學(xué)院植物所羅毅波教授團(tuán)隊、臺灣蔡文杰教授團(tuán)隊以及日本葉顓銘團(tuán)隊則負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄組功能的分析。
對蘭科植物的研究，未來會有哪些新方向？劉仲健對《知識分子》表示，“我們將繼續(xù)完成‘國際蘭科植物基因組重大項目’中其余蘭科物種的基因組測序，并構(gòu)建全蘭科大數(shù)據(jù)平臺，以及開展‘蘭花基因組測序和基因編輯計劃’”。
參考資料：
Zhang GQ, Liu ZJ et al. he Apostasia genome and the evolution of orchids. 2017. Nature. doi:10.1038/nature23897.
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