中国学者领衔发表最新Nature文章：二代，三代测序技术揭示兰花基因关键机制

由国家兰科植物种质资源保护中心/深圳市兰科植物保护研究中心，比利时根特大学，日本埼玉大学等处组成的研究小组发表最新文章，利用PacBio，Illumina，以及10X Genomics的最新技术，全新解析了一种兰花的基因组序列，这将有助于科学家们深入了解兰花的进化以及适应机制。

　　

生物通报道：由国家兰科植物种质资源保护中心/深圳市兰科植物保护研究中心，比利时根特大学，日本埼玉大学等处组成的研究小组发表了题为“The Apostasia genome and the evolution of orchids”的文章，利用PacBio，Illumina，以及10X Genomics的最新技术，全新解析了一种兰花的基因组序列，这将有助于科学家们深入了解兰花的进化以及适应机制。

这一研究成果公布在昨日（9月14日）的Nature杂志上，由深圳市兰科植物保护研究中心首席科学家刘仲健领导完成，其他参与研究的科学家包括中科院植物研究所的罗毅波研究员，比利时根特大学的Yves Van de Peer，日本埼玉大学的Chuan-Ming Yeh，以及台湾成功大学的的Wen-Chieh Tsai。

起源于1.25亿年前的兰科植物，是被子植物中的第二大科，除了两极和极干旱的沙漠，兰科植物可生存于世界各地，同时兰科植物又具有观赏、食用、药用等价值，对它的研究、保护和利用无疑十分有必要。刘仲健教授从事兰科植物研究已经有30多年了，取得了许多重要的成果，建立了兰科5新属，发现了2新分布属和80多个新分类群，而且组织并联合清华大学深圳研究生院等科研单位在世界上率先开展“兰花基因组计划”。2006年，他曾与清华大学深圳研究生院清华大学深圳研究生院教授在Nature杂志上发文，在世界上首次发现一种新颖的、完全由雄性花药主动运动而不借助于任何外部传递媒介完成的自花传粉机制，受到了国际专家的高度好评（中国学者Nature子刊封面文章：首个兰花基因组完整序列）。

目前深圳市兰科植物保护研究中心收集的国内外活体种质资源达到220万株，是世界上收集中国兰科植物物种最多的研究机构。最新报道的这种兰花：Apostasia shenzhenica（深圳拟兰，生物通注），是这一中心以深圳市为模式产地，并以深圳命名的兰科新种之一。

“针对深圳拟兰这种兰科小分支品种进行基因组测序，将能为研究兰花进化提供参考，揭示所有兰花共有的古老（全基因组拷贝）的明确证据，从而有助于重建古代兰花基因工具包，并为许多兰花特征提出新见解，”刘教授表示。

在这篇文章中，研究人员首先从深圳拟兰叶，茎和花的样本中分离出基因组DNA，然后分别利用Illumina HiSeq 2000和PacBio RS测序仪获得了短读长和长读长序列，将其组合在一起，再加上10X Genomics生成的scaffold数，完成了深圳拟兰的基因组草图，填补了空白。同时研究人员还利用新的转录组序列，进行比较基因组学和系统发育分析，进一步了解兰花品种之间的亲缘关系，以及进化兰花特征。

研究人员估计这些测序得到基因组结果，包括序列和10X Genomics的scaffold数，将近有3.49亿个碱基，这完成了深圳拟兰近94％的全基因组测序。

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其中研究人员识别出了21,841种预测到的的蛋白编码基因，超过92％的这些基因出现在转录组序列中。由此他们分析了深圳拟兰与十多种其它植物物种的关联序列，基于上百个单拷贝基因家族的系统发育分析。而且研究人员也搜寻了在兰花进化过程中似乎出现激增或急降的基因家族，以及过去基因组重复或突变的其它线索。

比如，研究发现指出，深圳拟兰谱系至少经历了两个全基因组重复：一个发生在兰花祖先与菠萝，芦笋等其它单子叶植物分支处；另一个发生在近期，兰科植物开始多样化后不久的兰花特异性全基因组重复。

此外，由于深圳拟兰的一些物理特征与其它兰花中发现的物理特征不同，包括相对原始的生殖结构，与大部分兰花诱导传粉所用的不同的唇瓣（labellum），研究人员认为可以开始梳理导致一些特殊兰花特征的遗传基础了

“我们发现了新的基因家族，新扩增或减少的基因家族，还有MADS-box基因类别中出现的变化（调控兰花进化过程中多个发育阶段）。这项工作揭示了兰花进化进程中的关键遗传事件，”作者写道。

（生物通：张迪）

作者简介：

刘仲健教授

全国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

主任，教授级高级工程师，全国兰科植物种质资源保护中心首席科学家，中国野生植物保护协会兰科植物保育委员会主席，中国野生植物保护协会副会长，中国兰花学会副理事长，清华大学深圳研究生院兼职研究员（教授），华南农业大学和渤海大学客座教授。

刘仲健在长达二十多年的植物特别是兰科植物和相关学科研究中，取得显著成绩。出版了《中国兰属植物》等14部专著共750万字，在国内外学术刊物上发表了130多篇论文，其中1篇在国际顶尖科技杂志nature上发表，实现了深圳市在该刊物上发表论文零的突破。另有4篇论文被natureCHINA作重点推介。建立了兰科5新属，发现了2新分布属和80多个新分类群。组织并联合清华大学深圳研究生院等科研单位在世界上率先开展“兰花基因组计划”，通过对兰花进行全基因组测序和生物信息分析，揭示兰花的进化历史和奥秘，对加速兰花品种创新、推进兰花相关产业链的发展均具有重大意义。目前，已完成蝴蝶兰基因组精细图的绘制和基因注释，在功能基因数量，抗性基因和景天酸代谢以及MADS-box的调控方面有重大发现。兰花转录组的研究已取得多项成果，建立了兰花的基础数据库（OrchidBase-Databases）以及揭示了兰花的C-class MADS-box genes的复制对兰花的合蕊柱的发育的分子机理。

1990、1992年两次被深圳市政府授予劳动模范称号；1994年获深圳市首届青年科技奖；1997年被深圳市授予深圳市青年科技带头人称号；1998年被广东省授予广东省青年科技标兵；2002年获全国“五一”劳动奖章和深圳市科技进步一等奖；2003年获广东省科学技术三等奖和深圳市政府特殊津贴；获2006、2008、2009年度深圳市科技创新奖、2010年度深圳市自然科学奖；2009年享受国务院特殊津贴、被深圳市认定为国家级领军人才；2011年获首届鹏城杰出人才奖和国家梁希林业科学技术奖二等奖。

原文标题：

The Apostasia genome and the evolution of orchids