解开达尔文的“兰花之惑”

小兰屿蝴蝶兰。

深圳拟兰。

铁皮石斛。

　　唇瓣。

大洋网讯 一百多年前，达尔文在提出进化论之后，迫切需要一个模式性的物种验证物种起源的假说，他选择了多样性的兰科植物，但因此有了困惑：“兰科植物的花如何进化而来？”

9月13日，发表在《自然》期刊上的一篇文章解答了这个困扰人类一百多年的兰花进化之谜。这项研究成果由国家兰科中心刘仲健教授领衔国内外多家高校和科研院所组成的科研团队完成，在世界上首次完整重建了兰花进化的基因工具包，未来通过基因编辑可以按需求“定制”兰花，“如果快的话，可能四五年时间就能实现”。

百年前达尔文发出兰花起源之问

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，它呈现出独特的花形。有一唇状花瓣，雌雄蕊合生成蕊柱，花粉粒粘合成花粉块，种子尘状无胚乳，可在地上、树上或石上生长，成功地生活在地球几乎每个栖息地，呈现出巨大的多样性。

一百多年前，达尔文和兰花结下渊源。达尔文在完成《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，推测兰科植物的共同祖先“假兰”，具有独立分开的雄、雌蕊结构以及未分化的花被片。达尔文还猜测兰科植物花的结构进化方向应该从简单到复杂，从辐射对称到两侧对称，雌蕊和雄蕊从离生到合生。

自此，兰花的起源、进化和多样性的形成，被称为“达尔文兰花进化之谜”。一百多年来，全世界无数科学家不断致力于解开这一谜团，均未取得突破性进展。

近日，国家兰科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，通过对深圳拟兰进行全基因组测序以及小兰屿蝴蝶兰、铁皮石斛进行全基因组重测序，并结合其他兰科和非兰科植物的转录组及其基因功能分析，揭示了兰花的起源及其花部器官发育和生长习性以及多样性形成的分子机制和演化路径，解开了困扰人类一百多年的兰花进化之谜。研究成果以“The Apostasia genome and the evolution of orchids”为题登上了世界顶级科技期刊《自然》。

“深圳拟兰”打开突破口

刘仲健在昨天召开的发布会上介绍，兰科有5个亚科。很早之前，他的科研团队就已注意拟兰属物种拥有几个独有的特征而有别于其他兰花：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。拟兰的这种“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。

刘仲健说，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，兰花的祖先多了一套基因，成功躲过了此次大灭绝。

“大灭绝事件灭绝了很多物种，留下了很多空间，兰花通过基因的扩张和收缩使基因组出现了分化，形成的5个亚科，很容易适应不同环境，迅速占领了世界的生境，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。”

重建兰花祖先基因池

“兰花进化出了唇瓣、花粉块，是由基因控制的结果，我们找到了它的基因工具包，也就能看出它是怎么起源和进化的。”刘仲健介绍，通过基因组比较，他们发现兰花有474个特有基因家族，相当于重建了一个兰花祖先的基因工具包和基因池。

刘仲健讲，唇瓣是一个里程碑式的进化，可以吸引蜜蜂等传粉者，唇瓣也使得兰花变成两侧对称，增加了昆虫传粉的准确性，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。

研究还发现了兰科植物花粉块的产生机制。刘仲健讲，拟兰的花粉是散生的，一朵花的花粉可以散播给许多朵花，从而造成后代同质化。

兰科植物进化的另一个关键是种子从有胚乳向无胚乳的进化。研究发现，种子的胚乳发育是由基因调控的，而兰花的种子没有胚乳是由于缺少了这一类基因。没有胚乳种子使自身体积变得非常细小，可以远距离传播和降落到树上、石头上生长。

兰花之所以能在树上、石头上生长，得益于其强悍的附生特性。研究发现，拟兰的根只能在地下生长和吸收养分，是因为AGL12基因控制。而当兰花缺乏此基因时，会生长出气生根，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，使兰花能附着在石上生长。这让兰花可以利用其他植物所不能利用的生境进行生长。

“定制”兰花不再是梦　　　　　　　　　　

刘仲健表示，此次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，未来通过基因编辑，可以满足市民“定制”兰花的需求。

目前兰花的品种改良多通过杂交育种，但还不足以满足未来的市场需求。刘仲健介绍，兰花的不同特征由不同的基因所调控，“我们已经有了基因工具包，比如你想要让兰花没有唇瓣，或是花瓣颜色再浓一些，这些都可以通过编辑相关基因来实现”。

刘仲健推测，在分子层面上“组装”兰花，来实现市民的个性化需求，快的话可能在未来4~5年实现。

文/广报全媒体记者 崔宁宁 

图/广报全媒体记者轩慧 

通讯员刘国惠、黄慧霞、崔嵩