小兰屿蝴蝶兰基因组测序：揭示兰花进化与花部多样性

兰科植物是自然界中多样性最高、最引人入胜的植物家族之一，展现了卓越的花部适应性及生态策略。作为重要的观赏植物，小兰屿蝴蝶兰（Phalaenopsis equestris） 因其独特的形态和超长的花期，长期以来一直被广泛用于育种。在发表于《自然·遗传学》（Nature Genetics）的最新研究中，我们发布了首个小兰屿蝴蝶兰的基因组序列，为兰花基因组进化、花发育及适应性机制提供了关键见解。这项研究标志着探索兰花多样性分子基础的基石性一步，为植物基因组学和育种策略开辟了新路径。

主要发现

• 高质量基因组组装
  • 我们成功组装了 1.086 Gb 的基因组，覆盖了约 93% 的估计基因组大小。
  • 基因组中鉴定出 29,431 个蛋白编码基因，凸显了兰科植物的遗传复杂性。
• 兰花特有适应性的进化洞察
  • 我们发现了一次发生于约 7,600 万年前的古多倍化事件（Paleopolyploidy event），该事件早于大多数兰花分支的辐射演化。
  • 比较基因组分析显示，与金属离子结合相关的基因家族发生了扩张，这可能有助于兰花在附生环境中的适应性。

• 花器官发生与 MADS-box 基因家族扩张

  • 关键的 MADS-box 基因家族（包括 C/D 类、B 类 AP3 和 AGL6）表现出显著的多样化，这可能塑造了兰花独特的花部结构。
  • 表达谱分析证实了参与唇瓣（Labellum）和合蕊柱（Gynostemium）形成的独特调控网络，强化了兰花特有的花部创新。
• 景天酸代谢（CAM）的进化
  • 研究揭示了碳酸酐酶（Carbonic anhydrase）和苹果酸酶（Malic enzyme）家族的基因加倍事件，提示了这些变化与兰花 CAM 光合作用进化之间的潜在联系。
  • 这是首个进行基因组测序的 CAM 植物，为未来的 CAM 途径研究提供了宝贵的遗传参考。

研究感悟

这个项目由我本人主导，重点负责数据分析和基因组解读。鉴于兰花极高的多样性，它们的基因组自然反映出高度的变异和复杂性。通过与深圳兰科植物保护研究中心合作，我们选择了小兰屿蝴蝶兰（最具商业价值的栽培兰花品种之一）进行基因组测序。此前，兰花研究主要局限于分类学和系统发育，而这项基因组研究标志着向分子机制探索的重大转变。我们相信，这项研究为兰花基因组学的新方向铺平了道路，为进化研究、育种改良和物种保护提供了核心资源。

研究全文可通过 Nature Genetics 在线访问。