兰

手培兰蕊两三栽，

日暖风和次第天。

坐久不知香在室，

推窗时有蝶飞来。

这首咏兰诗道出了兰花的魅力，兰科植物占开花植物的10%，拥有独特的花型，以其丰富的生物多样性，成功占据了地球的每一个角落。在今年9月14日，国家兰科中心刘仲健教授领衔的科研团队在Nature发表题为TheApostasiagenomeandtheevolutionoforchids的文章。刘仲健老师通过二代测序结合10XGenomics和Pacbio等新技术获得了高质量的深圳拟兰基因组，并用10XGenomics技术显著提升了铁皮石斛和小兰屿蝴蝶兰基因组的组装水平，比较分析这几种兰花基因组并结合多种兰花及其它植物的转录组，揭示了兰花起源进化及花器官发育等分子机制，对于阐明兰科植物进化史具有里程碑的意义。

文章题目：TheApostasiagenomeandtheevolutionoforchids

发表期刊：Nature

通讯作者：刘仲健教授

1.基因组测序

深圳拟兰Apostasiashenzhenica，2n=2X=68，基因组大小Mb。

2.初步建库测序策略

测序平台为IlluminaHiseq、IlluminaHiseq、二代测序构建bp、bp、bp、bp、2K、5K、10K和20K文库，Illumina总测序深度达到了X，初步组装指标为contigN50=30Kb，scaffoldN50=1.12Mb。

3.组装提升策略（由诺禾致源完成）

初步组装的深圳拟兰基因组和之前发表的小兰屿蝴蝶兰Phalaenopsisequestris以及铁皮石斛Dendrobiumcatenatum基因组经由PacbioRSⅡ和10XGenomics测序平台提升，Pacbio数据分别为10.54Gb（约10X）(P.equestris)和11.06Gb（约10X）(D.catenatum)。

4.最终组装指标

深圳拟兰最终组装指标为contigN50=80Kb，scaffoldN50=3Mb，小兰屿蝴蝶兰基因组经由三代和10X提升后scaffoldN50达到了1.2Mb（提升前Kb），铁皮石斛提升后的scaffoldN50为1.05Mb（提升前Kb）。

1.深圳拟兰基因组测序和比较基因组学分析

最终组装得到深圳拟兰基因组大小约为Mb，成功注释21,个编码蛋白质的基因，用BUSCO软件评估可以得出该组装版本的完整性高达93.62%。作者使用15种植物的个单拷贝基因家族构建系统发生树并估计各物种分歧时间（图1）。共线性分析表明，所有兰花在白垩纪（6万年前）经历了一个特有的全基因组复制事件（WGD），WGD帮助兰科植物在大灭绝后快速辐射进化（图1）。

图1兰科WGD分析

2.兰花花发育基因的演化

拟兰拥有一系列不同于其它兰花的形态特征，例如辐射对称花被、未分化唇瓣、特殊的合蕊柱、未聚成块的花粉和地下根。深圳拟兰有36个推测的MADS-box功能基因，其中27个是Ⅱ型的，其中两个MADS-box聚类明显减少（B-AP3和E）。这两个基因群与兰花唇瓣形成密切相关。作者测序了多种兰花和仙茅科植物Molineriacapitulata的花转录组，研究表明拟兰和其它兰花共同祖先拥有MADS-boxB-AP3和E两个基因群，随后同源基因的丢失导致拟兰辐射花瓣的形成，颠覆了人们对兰花演化的认识（图2b）。

3.兰科花粉块进化

花粉块指花粉形成四分体后仍相互联结在一起的结构，可以使花粉作为一个整体传播，是兰科植物进化史上的关键创新，在兰科的辐射进化中发挥了重要作用。在种子植物中，MIKC型基因中的P和S亚分支是雌配体发育的主要调控基因，P亚分支基因在除拟兰外的其它兰科植物中都缺失。由于拟兰拥有分散的花粉，作者推测MIKC型基因群P亚分支基因的缺失与花粉块的进化相关（图2c）。

4.兰花胚乳缺失的进化

兰花进化的另一关键特征是小体积的种子（缺少胚乳），方便其传播。调控基因Ⅰ型MADS-box基因调控胚乳的发育，MβMADS-box基因的缺失与兰科植物胚乳的缺失密切相关（图2d）。

5.附生兰花根进化中相关基因的缺失

兰花是少有的能开辟附生和岩石生境的植物，通过景天酸代谢途径在干旱环境中生长。附生兰花的根极度特化，拟南芥中AG12基因涉及根细胞分化，在深圳拟兰和M.capitulata中，该基因在根组织中高表达，而在附生兰花中未发现相似的基因，表明这些基因的损失导致附生兰花真正陆生根的缺失（图2e）。

附：MADS-box是真核生物中一类重要的转录调控因子，在生长发育调控和信号传导中发挥着重要作用。

图2涉及兰花形态进化的MADS-box基因

本研究充分证实了10XGenomics和Pacbio三代测序对二代组装版本的提升效果，scaffoldN50更是达到了3Mb。

本研究提升了两种已发表的兰花基因组，充分利用之前测序结果，用更经济的方法提升组装效果。

本研究首次完整的解析了兰花演化历史，揭示了兰花的花发育、花粉发育等相关过程分子机理，为兰科植物及其它植物的研究提供了重要依据。

参考文献

ZhangGQ,LiuKW,LiZ,etal.TheApostasiagenomeandtheevolutionoforchids[J].Nature,,doi:10./nature.

植物业务线陆振强丨文案

苏亚南丨插图

王婷婷丨编辑

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