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由深圳市兰科植物保护研究中心刘仲健教授领导的来自台湾成功大学、清华大学深圳研究生院、中国科学院植物研究所、深圳华大基因研究院、比利时根特大学及华南农业大学等多个研究单位的研究团队完成了小兰屿蝴蝶兰基因组测序和分析,研究成果ThegenomesequenceoftheorchidPhalaenopsisequestris被国际顶级科学杂志NatureGenetics作为本期封面文章发表。
2014年11月25日上午10时,深圳市人民政府召开新闻通报会公布了这一重大科研成果。国家林业局保护司刘亚文副司长、深圳市人民政府刘庆生副市长、深圳市城管局王国宾局长、深圳市投资控股有限公司范鸣春董事长等领导,清华大学深圳研究生院、中科院植物研究所、深圳华大基因研究院、华南农业大学等单位的专家出席了此次通报会。该成果同时被新华社、光明日报、中央人民广播电台等主流媒体广泛报道。
兰科植物作为植物界种类最丰富的家族之一,是植物多样性保护的旗帜物种,素有植物界大熊猫之称。很多兰花具有独特的吸引昆虫完成传粉的机制,全世界大量的兰花爱好者也沉醉于这个至今仍不断有新物种发现的植物大家族。然而兰花生物多样性的遗传基础,一直是悬而未决的问题。
该研究对小兰屿蝴蝶兰进行了全基因组测序和组装。并在此基础上进行基因预测,共发现了29,431个蛋白编码基因。有趣的是,这些蛋白编码基因的平均内含子长度达到2,922碱基对,这一长度显著超过了迄今为止所有植物基因组中平均内含子长度,进一步分析发现蝴蝶兰内含子中大量的转座元件是蝴蝶兰超长内含子的主要原因。
该研究搜索全基因组序列得到的342个同时涵盖其他七个单子叶和双子叶物种的单拷贝直系同源基因家族。基于这些基因家族进行演化时间推算的结果显示蝴蝶兰和其他单子叶植物的分歧时间为距今1.351亿年以前。另外,分析蝴蝶兰基因组中的重复基因间的同义替换率,发现蝴蝶兰在距今7000多万年前也就是白垩纪古近纪交界前不久经历了一次全基因组重复,这次古多倍化事件以及随后发生的兰科植物大规模辐射演化奠定了兰科植物发育成为被子植物第二大科的基础。它和水稻,拟兰芥等碳三代谢以及玉米高粱等碳四代谢植物相比,小兰屿蝴蝶兰属于景天酸代谢附生植物。景天酸代谢途径是对干旱或附生环境的一种适应性光合作用代谢途径。该代谢途径大大提高了植物对水的利用率。本研究是首次对景天酸代谢植物进行的全基因组测序。通过对景天酸代谢途径的六个关键基因家族的分析,发现其中四个基因家族在蝴蝶兰中发生了特异的基因重复和丢失。这些基因重复和丢失事件很可能与兰花中景天酸代谢途径的演化有重要贡献。
MADS-box基因家族是调控植物发育尤其是花的发育的重要基因。兰花尤其以它特殊的花形态著称。该研究分析了蝴蝶兰中的MADS-box基因家族的分布和演化,发现了多个在兰花中特异扩增和分化的几类MADS-box基因。这些兰花特有的MADS-box基因很可能对高度特化的兰花形态发育发挥重要作用。
蝴蝶兰全基因组基因图谱是世界上第一个完成测序、分析的兰科植物和景天酸代谢植物的基因组图谱。兰花基因组的公布将使得全基因组水平对濒危兰花多样性和演化进行探索和研究得以实现,为兰花保护提供重要的理论依据和指导。同时,兰花全基因组序列也将为兰花遗传工程育种研究提供重要资源和基础,对于加速兰科植物保护、兰花品种创新、推进兰花相关产业链的发展和提升我国在生物学、碳汇研究、生物多样性以及环境气候变迁等领域的研究水平具有重大的意义。

  本研究搜索全基因组序列得到342个同时涵盖其他七个单子叶和双子叶物种的单拷贝直系同源基因家族。基于这些基因家族进行演化时间推算的结果显示蝴蝶兰和其他单子叶植物的分歧时间为距今1.351±0.17亿年以前。另外,分析蝴蝶兰基因组中的重复基因间的同义替换率,发现蝴蝶兰在距今7,557万年前也就是白垩纪古近纪交界前不久经历了一次全基因组重复,
这次兰花特有的古多倍化事件以及随后发生的兰科植物大规模辐射演化奠定了兰科植物发育成为被子植物第二大科的基础。

中国学者Nature子刊封面文章:首个兰花基因组完整序列

据介绍,兰科有5个亚科,包括“拟兰亚、香荚兰亚科、杓兰亚科、兰亚科和树兰亚科”。很早之前,刘仲健科研团队就已注意拟兰属物种拥有几个独特的特征而有别于其它兰花,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。

发表《自然•遗传》封面文章获特别推介

来源:生物通 2014-11-26

由国家兰科中心刘仲健教授领衔比利时根特大学、台湾成功大学、中科院植物研究所、华南农业大学、日本埼玉大学等高校和科研院所组成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,并结合其它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,成功解开了困扰人类一百多年的兰花进化之谜。研究成果以“The
Apost asiagenome and the evolution of
orchids”为题刊登于2017年9月13日的世界顶级科技期刊Nature《自然》。

  

  与其它许多植物基因组相似,研究人员也在这种植物中发现了一种兰花特有的古多倍化事件,这也许能用于解释为何兰花会成为地球上最大的植物家族之一。

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,它生活在地球几乎每一个栖息地,呈现出巨大的多样性。兰花其花的起源、进化和多样性的形成,被称为兰花进化之谜。一百多年来,全世界无数科学家不断致力于解开这一谜团。

图为小兰屿蝴蝶兰。

  11月24日Nature
Genetics
杂志以封面文章的形式公布了植物界种类最丰富的家族之一:兰花的全基因组测序结果。这项研究属于兰花基因组计划的最新成果,由清华大学深圳研究生院黄来强教授和国家兰科植物种质资源保护中心暨深圳市兰科植物保护研究中心刘仲健教授领衔完成,参与单位还包括台湾成功大学、中国科学院植物所、比利时根特大学、深圳华大基因研究院、华南农业大学林学院等多个研究团队。

据悉,深圳拟兰有36个MADS-box功能基因,它们调控兰花的花部器官发育。研究发现,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WGD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。本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,为植物进化生物学研究提供了数据基础和重要借鉴,为兰科植物形态特征的功能研究提供重要的理论依据和指导。同时,兰花全基因组序列也将为兰花遗传工程育种研究提供重要资源和基础,对于促进兰科植物保护,药用资源开发、品种创新具有重大意义。

  上半部分为暗反应、下半部分为光反应代谢途径,五角星表示该基因家族曾发生过重复或丢失。CA:
carbonic anhydrase碳酸酐酶;CC: Calvin Cycle卡尔文循环;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苹果酸脱氢酶;ME: malic enzyme苹果酸酶;PPDK: pyruvate
phosphate dikinase丙酮酸磷酸双激酶。

  从基因组序列上来看,小兰屿蝴蝶兰共有29,431个蛋白编码基因。有趣的是,这些蛋白编码基因的平均内含子长度达到2,922碱基对,这一长度显著超过了迄今为止所有植物基因组中平均内含子长度,进一步分析发现蝴蝶兰内含子中的大量的转座元件是蝴蝶兰超长内含子的主要原因。

2011年,刘仲健团队在深圳市梧桐山上发现了一种拟兰新物种,将其命名为“深圳拟兰”,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。通过基因组比较,研究团队发现兰花有474个特有基因家族,因此得以重建一个兰花祖先的基因工具包和基因池,并可从中窥视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。

清华大学深圳研究生院黄来强教授共同主持完成世界首个兰花全基因组测序

  研究人员还通过比较其它植物基因组同源基因,发现随着兰花品系发展,出现了基因重复和CAM基因丢失的现象,这表明基因重复事件可能导致了蝴蝶兰CAM光合作用的演变。

  清华新闻网11月28日电
11月24日,清华大学深圳研究生院生命与健康学部生物医药研究中心、深圳市基因与抗体治疗重点实验室和健康科学与技术国家重点实验室主任黄来强教授团队与国家兰科中心主任刘仲健教授团队等合作在国际顶尖学术期刊Nature
Genetics
在线发表了题为The genome sequence of the orchid
Phalaenopsis
equestris
的论文,公布世界首个兰科植物全基因组序列及分析结果。同时本文被选定为Nature
Genetics
期刊封面文章并将于近期印刷出版。

  兰花具有独特的吸引昆虫完成传粉的机制,吸引了自达尔文以来无数的演化生物学家和植物学家对兰花进行大量细致的观察和研究。全世界大量的兰花爱好者也沉醉于这个至今仍不断有新物种发现的植物大家族。然而兰花生物多样性的遗传基础,是哪些基因导致兰花演化出如此丰富的多样性,一直是悬而未决的问题。

  MADS-box基因家族是调控植物发育尤其是花的发育的重要基因,而兰花尤其以它特殊的花形态著称。本研究分析了蝴蝶兰中的MADS-box基因家族的分布和演化,发现了多个在兰花中特异扩增和分化的几类MADS-box基因。这些兰花特有的MADS-box基因很可能对高度特化的兰花形态发育发挥重要作用。

  此外在这篇重要的文章中,研究人员还指出MADS-box C/D-class, B-class
AP3
和AGL6-class基因出现了扩增,形成了多样化家族,这些基因帮助兰花形成了高度特异化的花朵形态。

  

  由于基因组中含有杂合性区域,这为蝴蝶兰全基因组测序和组装带来了巨大挑战。研究人员发现兰花基因组中重叠区域可能是由杂合产生,在参与自交不亲和途径的基因中尤为富集。这些基因也是下一步分析兰花自交不亲和作用机制的候选途径之一。

  附 Nature Genetics原文链接:

  最新这项研究完成了小兰屿蝴蝶兰全基因组测序和组装,这是一种广泛用于杂交育种的具有重要园艺价值的兰花。

  本研究论文受到Nature杂志社各种形式的重点推介。在11月18日提前一周面向在Nature杂志社注册登记的全球媒体的新闻发布中,将本文选为亮点文章撰文推介。论文上线发表后,本文题要被配图登在云顶国际,Nature
Genetics
主页的头条位置;选为Nature子刊亮点
登在Nature网站。

  同时小兰屿蝴蝶兰也是第一个全基因组测序的景天酸代谢植物,所谓景天酸代谢是指生长在热带及亚热带干旱及半干旱地区的一些肉质植物所具有的一种光合固定二氧化碳的附加途径,这类植物通过改变其代谢类型来适应环境,因此虽然生长慢,但能在其它植物难以生存的生态条件下生存和生长。

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  这是“兰花基因组计划”取得的最新重大研究成果,由清华大学深圳研究生院黄来强教授和国家兰科植物种质资源保护中心暨深圳市兰科植物保护研究中心刘仲健教授共同发起和主导,联合中国科学院植物研究所、台湾成功大学、比利时根特大学、深圳华大基因研究院、华南农业大学林学院等多个研究机构组成的国际团队合作攻关完成。黄来强教授和刘仲健教授等为本论文的共同通讯作者;黄来强教授的清华大学博士后蔡晶、清华大学博士生刘可为等为共同第一作者。

  兰科植物作为植物界种类最丰富的家族之一,是植物多样性保护的旗帜物种,素有“植物界大熊猫”之称。兰花具有纷繁复杂的形态和特性,独特的吸引昆虫完成传粉的机制,吸引了自达尔文以来无数的演化生物学家和植物学家对兰花进行大量细致的观察和研究。全世界大量的兰花爱好者也沉醉于这个至今仍不断有新物种发现的植物大家族。然而兰花生物多样性及进化的遗传基础,是哪些基因导致兰花演化出如此丰富的多样性,一直是悬而未决的问题。

供稿:深圳研究生院 编辑:襄桦

  本研究获得的蝴蝶兰全基因组序列图谱是世界上第一个完成测序和分析的兰科植物和景天酸代谢植物的全基因组,并揭示其许多重要特性,具有重大深远的科学意义和应用价值。本研究成果填补了植物基因组研究的多个空白,对全球基因组科学作出了重大贡献,将为世界上其它相关研究提供全新的起点和平台。全世界的大量兰花由于非法采集和生境破坏而濒临灭绝。兰花基因组的公布将使得全基因组水平对濒危兰花多样性和演化进行探索和研究得以实现,为兰花保护提供重要的理论依据和指南。同时,兰花全基因组序列也将为兰花遗传工程育种研究提供重要资源和基础,对于加速兰科植物保护、兰花品种创新、推进兰花相关产业链的发展和提升我国在生物学、碳汇研究、生物多样性以及环境气候变迁等领域的研究水平具有重大的意义。

  Nature
Genetics
,创刊于1992年,近5年影响因子平均34.21,是Nature著名的子刊。

  与水稻、拟兰芥等碳三代谢植物,以及玉米、高粱等碳四代谢植物不同,小兰屿蝴蝶兰属于景天酸代谢附生植物。景天酸代谢途径是对干旱或附生环境的一种适应性光合作用代谢途径。该代谢途径大大提高了植物对水的利用率。本研究也是首次对景天酸代谢植物进行的全基因组测序。通过对景天酸代谢途径的六个关键基因家族的分析,发现其中四个基因家族在蝴蝶兰中发生了特异的基因重复和丢失。这些基因重复和丢失事件很可能在兰花中景天酸代谢途径的演化有重要贡献。

  基因预测显示,小兰屿蝴蝶兰具有29,431个蛋白编码基因。有趣的是这些蛋白编码基因的平均内含子长度达到2,922碱基对,这一长度显著超过了迄今为止所有植物基因组中平均内含子长度,进一步分析发现蝴蝶兰内含子中的大量的转座元件是蝴蝶兰超长内含子的主要原因。在基因组杂合区域,自交不亲和途径的相关基因尤为富集,这些基因对进一步揭示兰花自交不亲和机制将极有助益。

  本研究选取具有代表性和重要园艺价值的小兰屿蝴蝶兰进行全基因组测序,经过数年的努力,克服了高杂合度等技术难题,完成了整基因组序列的组装和分析,获得了高精度的基因组序列图谱和大量的基因信息。

云顶国际 2

图为景天酸光合作用代谢(CAM)途径及基因进化图。

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