中國學者破解蘭花進化的百年謎團 | 前沿
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深圳擬蘭於2011年由劉仲健等人在深圳市梧桐山上被發現
整理 | 葉水送
責編 | 徐 可
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蘭花千姿百態，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，約佔開花植物物種的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，並呈現出巨大的多樣性。
1859年，達爾文完成了曠世巨作《物種起源》後，隨後開始著迷於對蘭花的研究。
1862年，在一本有關蘭花的著作中，他寫到，「在對蘭花的研究中，幾乎沒什麼事實讓我感到如此震驚: 蘭花結構的多樣性，都是基於同一個目的: 一朵花接受另一朵花的授粉。」
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100多年前，達爾文著迷於蘭花豐富的結構，圖片來自flickr.com
為什麼達爾文對蘭花如此痴迷？因為對形態多樣的蘭花的研究，可幫助他進一步完善自然選擇和進化方面的理論。但達爾文並沒有找到他想要的答案。
由此，蘭花的起源、進化和多樣性的形成，被達爾文稱為「令人討厭之謎」。100多年來，全世界無數科學家不斷致力於解開這一謎團，均未取得突破性進展。
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深圳擬蘭的研究，揭開蘭花進化的百年謎團
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深圳擬蘭的全基因組測序，對揭示蘭科植物進化具有重要意義，圖片截自nature.com
9月13日，國家蘭科中心劉仲健教授領銜的國際研究團隊以深圳擬蘭
（Apostasia shenzhenica）
為主要研究對象，
並結合其它蘭科和非蘭科植物的轉錄組及基因功能分析，揭示了蘭花的起源及其花部器官發育、生長習性以及多樣性形成的分子機制和演化路徑，相關研究發表在國際頂級學術期刊《自然》雜誌上。
《知識分子》編輯第一時間，聯繫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，相關成果分別發表在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。」
為什麼要選深圳擬蘭來研究蘭花的進化之謎? 劉仲健表示，「我們此前已發表的兩個蘭科基因組物種屬於樹蘭亞科，該類群具有『標準』的蘭花形態，花的結構非常精巧複雜；而深圳擬蘭屬於擬蘭亞科物種，為『原始』的蘭花形態，花的結構相對簡單。達爾文對蘭花怎樣起源和如何在非常短的時期內演化出如此精巧複雜，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『達爾文的困惑』。」
擬蘭屬物種擁有幾個獨特的特徵而有別於其它蘭花：花不扭轉，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，具有發達的地下根。擬蘭具有與仙茅相似的「原始」性狀，因此被認為最接近於達爾文推測的「假蘭」，是研究蘭花進化的好材料。
2011年，劉仲健領銜科研團隊在深圳市梧桐山上發現了一種擬蘭新物種，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，它的發現為蘭科植物進化研究提供了很好的實驗材料。
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很多蘭花是極具觀賞價值的花卉，圖為小蘭嶼蝴蝶
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蘭科植物形態進化與花器官發育調控基因(MADS-box)有關，圖片來自Zhang GQ et al. 2017. nature.
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蘭花為何在第三次生物大滅絕中倖存下來？
研究團隊通過對深圳擬蘭進行全基因組測序，以及對小蘭嶼蝴蝶蘭
（Phalaenopsis equestris）
、鐵皮石斛（Dendrobium catenatum）
進行全基因組重測序，發現所有現存蘭花的祖先曾在第三次生物大滅絕事件（6600萬年前）
之前發生了一次全基因組複製事件，開啟了現生蘭花的起源。
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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
全基因組複製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物種，則在此次物種大滅絕中，未能倖免。
生物大滅絕後生態系統遭到嚴重破壞，但蘭花通過基因的擴張和收縮致使基因組形成了5個亞科，產生更多的多樣性，迅速地適應了新的生態系統。因此所有現存於地球上的蘭花都是恐龍滅絕時期倖存的蘭花後代。
通過對深圳擬蘭與其它蘭花以及被子植物的基因組比較，研究者發現蘭花有474個特有基因家族，從中可窺視蘭花新的基因家族及其擴張和收縮的進化歷史，以及揭示了其唇瓣、合蕊柱、花粉塊、無胚乳種子的發育、地生與附生習性進化的分子機制。
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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。如為什麼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。經研究發現，擬蘭之所以地生是由於AGL12基因控制了它的根，只能在地下生長和吸收養分。
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蘭科植物生活環境複雜多樣，既可攀緣生長，也可在地面或石頭上生長而當蘭花缺乏AGL12-like基因時，蘭花則生長出氣生根，這些附生的氣生根發育出一種海綿狀表皮，能在空氣中吸收養分和儲存水分，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）
，有助於促進新物種的產生。
這項研究對揭示蘭科植物進化具有重要意義，
劉仲健表示：
不僅首次完整重建了蘭花進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育的分子機制，更正了人們對蘭花進化的傳統認知，填補了植物學研究的多個空白，同時也為蘭花保護提供重要的理論依據和指導。
蘭科植物進化問題的成功解析，離不開一個緊密合作的國際研究團隊。劉仲健表示：
我和我的團隊領銜這一研究，負責整個項目方案設計、組織實施以及項目管理，比利時Yves Van de Peer教授及其團隊負責基因組複製事件分析，中國科學院植物所羅毅波教授團隊、台灣蔡文傑教授團隊以及日本葉顓銘團隊則負責轉錄組功能的分析。
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，「我們將繼續完成『國際蘭科植物基因組重大項目』中其餘蘭科物種的基因組測序，並構建全蘭科大數據平台，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.
製版編輯： 許逸
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