困扰人们一个多世纪的科学谜团终于被解开！
14日上午，深圳市政府召开新闻发布会对外宣布：以国家兰科中心（深圳市兰科植物保护研究中心）刘仲健教授领衔的国际科研团队，以“深圳拟兰”为突破口，成功解开了困扰人类100多年的兰花进化之谜，研究成果以“The Apostasia genome and the evolution of orchids”为题于2017年9月13日登上了世界顶级科学期刊Nature《自然》。
据了解，该项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。
●南方日报记者 杜艳 通讯员 刘国惠 黄慧霞
A“深圳拟兰”成试验重要材料
白垩纪恐龙灭绝了，兰花却活了下来，兰花进化历史有何奥秘？
资料显示，兰花可能有1.25亿年历史，相对人类（约400万年历史），经历了更漫长的岁月。它能活到今天必有其过人的本领，这或将为人类生存带来重要启示。达尔文在完成了《物种起源》一书后紧接着就撰写兰花专著。他在《兰花的传粉》一书中推测了兰花器官的起源和演化，提出了同源性假说，自此，研究兰花的演化更成为生物学领域重要的课题之一。
然而，100多年过去了，全球科学界对于兰花的起源、进化和多样性这一谜团的研究，却迟迟未取得突破性进展。
在此背景下，几年前，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，并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。
研究团队通过基因组比较，发现兰花有474个特有基因家族，因此重建了一个兰花祖先的基因工具包和基因池，并从中窥视到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。
B 完整重现兰花演化路线图
值得一提的是，该项研究除了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之外，还揭示了兰花花部器官发育的分子机制，为植物进化生物学研究提供了数据基础和重要借鉴，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。
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。
研究还发现，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。而兰花的祖先通过基因加倍后，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。
兰科进化的一个关键性状是种子缺乏胚乳，没有胚乳种子使自身体积变得非常细小而可以远距离传播和降落到树上或石头上。而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。
■对话
深圳将建兰科植物演化大数据平台
南方日报：整个团队花费了多长时间做研究？成果对于我们有什么意义？
刘仲健：研究从2008年到现在，可以说是十年磨一剑，这个成果对于物种的保护作用明显。从基因组知道兰花的秘密，就可以通过数据管理、数据监控开展物种保护。
南方日报：整个国际化科研团队总人数大概是多少？
刘仲健：这篇文章有30多个作者、17个单位，主要由我们深圳的科学家完成，国外的一些团队是做某些子项的工作。我们接下来会把这些技术应用到相关产业的开发，甚至药用兰科植物里面的成份筛选工作。
南方日报：深圳拟兰全基因组测序解决了哪些达尔文的困惑？
刘仲健：深圳拟兰，拟就是相似，以前叫“假兰”。它看起来根本不像兰花，但确实有达尔文所推测的没有分化的唇瓣。事实上通过基因组测序，我们发现了兰花的起源，也回答了兰花为何能短时间内大量繁殖——是因为有基因组复制。这解决了达尔文关于兰花进化困惑的同时，也更正了他对兰花进化路线图的认识。比如他认为由拟兰向树兰亚科进化，实际上是反过来，这也更正了科学界所认为的兰花是由辐射对称向两侧对称进化的传统认知。
南方日报：接下来科研团队在兰科植物研究领域还有哪些新的方向？
刘仲健：这是我们国际兰科植物基因组重大项目的成果之一，接下来会把兰科植物其他的5个亚科进行基因组测序，同时建立兰科植物演化大数据平台，开展兰科基因组测序和基因组的编辑计划。未来我们希望能够通过这个分子工具去组装新的兰花，按照不同市民的需求定制兰花。
■知多D
深圳市兰科植物保护研究中心（国家兰科植物种质资源保护中心）成立于2006年，占地面积800多亩，是全国兰科植物保育委员会、世界自然保护联盟（IUCN）兰花专家组亚洲办公室和深圳市植物学会挂牌单位。
自成立以来，兰科中心在兰科物种保护和研究工作中取得了丰硕的成果。建立了中国唯一的国家兰科植物种质资源库，收集保存的国产和国外兰科植物以及种质资源样本27864份，其中活体种质资源20280份220万株，原种2110种，品种1266种，腊叶标本4208份（模式标本177份）。还有化石标本1030份，影像照片22万张（份）以及中国全部馆藏兰科植物标本37848份的采集信息，为中国兰科植物的保护研究搭建了研究平台。
兰科中心在世界上率先开展“国际兰花基因组计划”，并在Nature、Nature Genetics等国内外学术刊物上发表论文270多篇（其中5篇为封面论文，4篇被nature China作重点介绍，1篇被《生态学报》评为30年百篇优秀论文）。
责任编辑：马骁潇
