清華大學深圳研究生院黃來強教授共同主持完成世界首個蘭花全基因組測序
發(fā)表《自然•遺傳》封面文章獲特別推介
清華新聞網(wǎng)11月28日電 11月24日，清華大學深圳研究生院生命與健康學部生物醫(yī)藥研究中心、深圳市基因與抗體治療重點實驗室和健康科學與技術國家重點實驗室（籌）主任黃來強教授團隊與國家蘭科中心主任劉仲健教授團隊等合作在國際頂尖學術期刊Nature Genetics（《自然•遺傳》）在線發(fā)表了題為The genome sequence of the orchid Phalaenopsis equestris（蘭科植物小蘭嶼蝴蝶蘭的全基因組序列）的論文，公布世界首個蘭科植物全基因組序列及分析結(jié)果。同時本文被選定為Nature Genetics期刊封面文章并將于近期印刷出版。
這是“蘭花基因組計劃”取得的最新重大研究成果，由清華大學深圳研究生院黃來強教授和國家蘭科植物種質(zhì)資源保護中心暨深圳市蘭科植物保護研究中心（簡稱國家蘭科中心）劉仲健教授共同發(fā)起和主導，聯(lián)合中國科學院植物研究所、臺灣成功大學、比利時根特大學、深圳華大基因研究院、華南農(nóng)業(yè)大學林學院等多個研究機構(gòu)組成的國際團隊合作攻關完成。黃來強教授和劉仲健教授等為本論文的共同通訊作者；黃來強教授的清華大學博士后蔡晶（與國家蘭科中心劉仲健教授聯(lián)合培養(yǎng)指導）、清華大學博士生劉可為等為共同第一作者。
本研究論文（Article長文）受到Nature雜志社各種形式的重點推介。在11月18日提前一周面向在Nature雜志社注冊登記的全球媒體的新聞發(fā)布中，將本文選為亮點文章（Press Release Featured Highlights）撰文推介。論文上線發(fā)表后，本文題要被配圖登在Nature Genetics主頁的頭條位置；選為Nature子刊亮點（Research Journal Highlights） 登在Nature網(wǎng)站。
Nature Genetics（《自然•遺傳》，或譯《自然•遺傳學》），創(chuàng)刊于1992年，近5年影響因子平均34.21，是Nature著名的子刊。
圖為小蘭嶼蝴蝶蘭。
蘭科植物（蘭花）作為植物界種類最豐富的家族之一，是植物多樣性保護的旗幟物種，素有“植物界大熊貓”之稱。蘭花具有紛繁復雜的形態(tài)和特性，獨特的吸引昆蟲完成傳粉的機制，吸引了自達爾文以來無數(shù)的演化生物學家和植物學家對蘭花進行大量細致的觀察和研究。全世界大量的蘭花愛好者也沉醉于這個至今仍不斷有新物種發(fā)現(xiàn)的植物大家族。然而蘭花生物多樣性及進化的遺傳基礎，是哪些基因?qū)е绿m花演化出如此豐富的多樣性，一直是懸而未決的問題。
本研究選取具有代表性和重要園藝價值的小蘭嶼蝴蝶蘭進行全基因組測序，經(jīng)過數(shù)年的努力，克服了高雜合度等技術難題，完成了整基因組序列的組裝和分析，獲得了高精度的基因組序列圖譜和大量的基因信息。
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圖為景天酸光合作用代謝(CAM)途徑及基因進化圖。
上半部分為暗反應、下半部分為光反應代謝途徑，五角星表示該基因家族曾發(fā)生過重復或丟失。CA: carbonic anhydrase碳酸酐酶；CC: Calvin Cycle卡爾文循環(huán)；PEP: phosphoenolpyruvic acid磷酸烯醇丙酮酸；PEPC: phosphoenolpyruvate carboxylase磷酸烯醇丙酮酸羧化酶；PPCK: phosphoenolpyruvate carboxykinase磷酸烯醇丙酮酸羧化激酶；MDH: malate dehydrogenase蘋果酸脫氫酶；ME: malic enzyme蘋果酸酶；PPDK: pyruvate phosphate dikinase丙酮酸磷酸雙激酶。
基因預測顯示，小蘭嶼蝴蝶蘭具有29,431個蛋白編碼基因。有趣的是這些蛋白編碼基因的平均內(nèi)含子長度達到2,922堿基對，這一長度顯著超過了迄今為止所有植物基因組中平均內(nèi)含子長度，進一步分析發(fā)現(xiàn)蝴蝶蘭內(nèi)含子中的大量的轉(zhuǎn)座元件是蝴蝶蘭超長內(nèi)含子的主要原因。在基因組雜合區(qū)域，自交不親和途徑的相關基因尤為富集，這些基因?qū)M一步揭示蘭花自交不親和機制將極有助益。
本研究搜索全基因組序列得到342個同時涵蓋其他七個單子葉和雙子葉物種的單拷貝直系同源基因家族。基于這些基因家族進行演化時間推算的結(jié)果顯示蝴蝶蘭和其他單子葉植物的分歧時間為距今1.351±0.17億年以前。另外，分析蝴蝶蘭基因組中的重復基因間的同義替換率，發(fā)現(xiàn)蝴蝶蘭在距今7,557（7,150-8,073）萬年前也就是白堊紀古近紀交界前不久經(jīng)歷了一次全基因組重復, 這次蘭花特有的古多倍化事件以及隨后發(fā)生的蘭科植物大規(guī)模輻射演化奠定了蘭科植物發(fā)育成為被子植物第二大科的基礎。
與水稻、擬蘭芥等碳三代謝植物，以及玉米、高粱等碳四代謝植物不同，小蘭嶼蝴蝶蘭屬于景天酸代謝附生植物。景天酸代謝途徑是對干旱或附生環(huán)境的一種適應性光合作用代謝途徑。該代謝途徑大大提高了植物對水的利用率。本研究也是首次對景天酸代謝植物進行的全基因組測序。通過對景天酸代謝途徑的六個關鍵基因家族的分析，發(fā)現(xiàn)其中四個基因家族在蝴蝶蘭中發(fā)生了特異的基因重復和丟失。這些基因重復和丟失事件很可能在蘭花中景天酸代謝途徑的演化有重要貢獻。
MADS－box基因家族是調(diào)控植物發(fā)育尤其是花的發(fā)育的重要基因，而蘭花尤其以它特殊的花形態(tài)著稱。本研究分析了蝴蝶蘭中的MADS－box基因家族的分布和演化，發(fā)現(xiàn)了多個在蘭花中特異擴增和分化的幾類MADS－box基因。這些蘭花特有的MADS－box基因很可能對高度特化的蘭花形態(tài)發(fā)育發(fā)揮重要作用。
本研究獲得的蝴蝶蘭全基因組序列圖譜是世界上第一個完成測序和分析的蘭科植物和景天酸代謝（CAM）植物的全基因組，并揭示其許多重要特性，具有重大深遠的科學意義和應用價值。本研究成果填補了植物基因組研究的多個空白，對全球基因組科學作出了重大貢獻，將為世界上其它相關研究提供全新的起點和平臺。全世界的大量蘭花由于非法采集和生境破壞而瀕臨滅絕。蘭花基因組的公布將使得全基因組水平對瀕危蘭花多樣性和演化進行探索和研究得以實現(xiàn)，為蘭花保護提供重要的理論依據(jù)和指南。同時，蘭花全基因組序列也將為蘭花遺傳工程育種研究提供重要資源和基礎，對于加速蘭科植物保護、蘭花品種創(chuàng)新、推進蘭花相關產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和提升我國在生物學、碳匯研究、生物多樣性以及環(huán)境氣候變遷等領域的研究水平具有重大的意義。
附 Nature Genetics原文鏈接：
http://www.nature.com/ng/journal/vaop/ncurrent/full/ng.3149.html
http://dx.doi.org/10.1038/ng.3149
供稿：深圳研究生院 編輯：襄樺
