成大与国际合作解开原始兰花全基因体解序 论文荣登Nature

2020-07-10
成大与国际合作解开原始兰花全基因体解序 论文荣登Nature

     兰花样貌变化多端,其中奥秘,逾一世纪来科学家百思不解;成功大学与国际团队合作,完成原始兰花「拟兰」全基因体解序,一举解开兰科植物演化之谜。成大团队指出,基因体序列的解密,将被应用于兰花精準育种,人们随心所欲培育兰花品种指日可待;这项突破性的研究9月21日荣登国际科研界排名第一的Nature期刊,并将台湾兰花研究和产业推向另一个高峰。
    论文题名为「The Apostasia genome and the evolution of orchids(拟兰基因体与兰花演化)」,研究团队指出,藉由分析比对现存最原始的兰科植物之一「拟兰」(Apostas ia shenzhenica)与一般兰花外观特徵基因,证实MADS -box基因家族成员的保留与消失,是兰科物种演化过程中形成多样化的重要原因;该研究由成大热带植物科学究所副教授蔡文杰、兰花研究中心助理研究员萧郁芸,及生命科学系副教授张松彬等6人,协同中国、比利时、日本等国共17个研究单位共同参与;蔡文杰名列共同通讯作者,萧郁芸则名列共同第一作者。
    成大团队表示,精準育种除可改变花形,亦有助开发适应极端气候的新品种;兰花在大自然中需与真菌共生,是一个重要的生态指标,了解兰花演化与适应的调控过程可了解生态之间的微妙平衡,为不可预期的环境变化提供更多的数据与参考。
    成大21日与外界分享研究成果。苏慧贞校长表示,成大年轻团队研究成果,登上国际科研界最重要的期刊Nature , 对台湾的研究来说是重要的里程碑,对成大来说也具有多重义意, 团队成员都属青壮世代,是成大生科系创系以来培育出的学者;此外,论文国外的合作学者,在日本担任大学教授的一位成员,也是成大毕业校友,这在在显示成大科学的能量与竞争力;而更让人兴奋的是,该研究让达尔文多的年遗憾,得到完整解答。
    兰花演化谜团的科学探究始于1862年,当时,达尔文收到一朵来自马达加斯加岛屿奇特的兰花(大慧星风兰), 花朵后方,竟然有长达30公分的细长花距,前所未来有构造,让达尔文不断思考,为什幺,提出一定有某种蛾类,口器伸长可超过30公分,如果这种蛾类消失,大慧风兰也会灭绝的观点;直到1903年科学家才在马达加斯加岛发现一种口器展开长达30公分的天蛾;1992年科学家终于记录到这种天蛾拜访大慧星风兰 ,协助传粉。
    兰与天蛾共同演化外,少数兰已转变为鸟类传粉,花距变短、宽度增加,以符合鸟嘴型状,百年来科学家一直极欲探究兰花演化出多样性的奥秘。
    现今兰科植物的特徵为,花瓣两侧对称,下方一片不同形状和色彩的花瓣(称为唇瓣),中间一个蕊柱,顶端是花粉集结成团的花粉块;另外,兰花种子没有胚乳,种子需与兰菌共生才能发芽;科学界已知,MADS-box家族基因调控兰花的花萼、花瓣、唇瓣、蕊柱、花粉块等花器官。
    拟兰,虽是兰科植物的一员,花的外表与一般兰花大不相同,外观无变形的花瓣(唇瓣)和完整的蕊柱,没有花粉团块而是颗粒;特别的是,拟兰长于土壤,现在的兰全是附生在其他植物或岩石上等。
    拟兰全基因体解序后,团队将其基因体数据,与一般兰花做比对与分析,结果显示,拟兰虽无一般兰科植物共同的明显特徵(如唇瓣),但仍然有MAD S-box基因家族,在花瓣、蕊柱、花萼、花粉等部位,都可见M ADS-box基因家族调控的作用;证实兰科植物为了生存,演化过程中MADS-box基因家族部份成员保留与消失,是物种多样化的重要原因之一。
    少了MADS-box家族基因成员B-AP3与E群,拟兰没有特殊的唇瓣,也缺少完整的蕊柱;P和S- subclades基因会调控花粉呈散开的颗粒状,现今兰花少了P-subclades基因,花粉集结成团块。
    拟兰的根只能在地下生长,而今的兰花攀附到树上或岩壁上,是因为有可以吸收空气中养份与储存水分的气根,这是MADS- box家族中AGL12等基因的影响;拟兰全基因体解序,揭开了兰花演化之谜。