中国学者Nature子刊封面文章:首个兰花基因组完整序列

来源:生物通 2014-11-26

  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(orchid)的全基因组测序结果。这项研究属于兰花基因组计划(Orchid Genome Project)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。

  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。

  最新这项研究完成了小兰屿蝴蝶兰(Phalaenopsis equestris)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。

  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(Crassulacean acid metabolism,CAM)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(最早发现在景天科植物)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。

  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。

  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(self-incompatibility)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。

  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(paleopolyploidy,古代植物细胞中基因成倍复制),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。

  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。

  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。

2014年11月26日 18:00:49  清华新闻网

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