空谷幽蘭百年成謎 中國學者領銜揭秘
「空谷有佳人，倏然抱幽獨。東風時拂之，香芬遠彌馥。」千百年來，風姿高雅的蘭花一直被喻為「花中真君子」，無數文人墨客托物抒懷，盡得風流。然而有關蘭花的起源、進化和多樣性的形成，對於人類來說卻一直是「謎一般的存在」。進化論奠基人達爾文在150年前就因為百思不得其解而稱之為「討厭的蘭花之謎」。9月14日，由中國學者劉仲健教授領銜的科研團隊在深圳宣布，該團隊以深圳擬蘭(Apostasia shenzhenica)為突破口，破解了困擾人類達百年之久的蘭花進化之謎。這項成果將為瀕危的蘭科植物研究提供重要的資源和基礎，對其未來的保護、開發及品種創新意義深遠。香港商報記者徐豔瓊林麗青
基因測序解密進化謎團
這項石破天驚的研究成果在9月14日凌晨登上了世界頂級科技期刊《Nature》，論文的名稱是「The Apostasia genome and the evolution of orchids」。其研究團隊來自於世界各地，領銜的劉仲健教授是國家蘭科中心以及深圳市蘭科植物保護研究中心的首席科學家，其他參與研究的科學家包括中科院植物研究所的羅毅波研究員、比利時根特大學的Yves Van de Peer、日本埼玉大學的Chuan-Ming Yeh，以及台灣成功大學的的Wen-Chieh Tsai等。劉教授告訴記者，研究團隊通過對深圳擬蘭進行全基因組測序以及小蘭嶼蝴蝶蘭Phalaenopsis e-questris、鐵皮石斛Dendrobium catenatum進行全基因組重測序，并結合其它蘭科和非蘭科植物的轉錄組及其基因功能分析，發現了蘭花的起源及其花部器官發育和生長習性以及多樣性形成的分子機制和演化路徑，從而解開了這個植物學界的世紀謎題。據介紹，研究人員首先從深圳擬蘭的葉、莖和花的樣本中分離出基因組DNA，然后分別利用Illu-mina HiSeq 2000和PacBio RS測序儀獲得了短讀長和長讀長序列，將其組合在一起，再加上10X Ge-nomics生成的scaffold數，首次完成了深圳擬蘭的基因組草圖。他們還利用新的轉錄組序列，進行比較基因組學和系統發育分析，進一步了解了蘭花品種之間的親緣關系，以及進化的蘭花特徵。通過基因組比較，研究人員發現蘭花有474個特有基因家族，在世界上首次完整重建了蘭花進化的基因工具包和基因池，并可從中窺視蘭花新的基因家族及其擴張和收縮的進化歷史，從而揭示了蘭花相關性狀和習性進化的分子機制。它不僅更正了人們對蘭花進化的傳統認知，還填補了植物學研究的多個空白。論文的作者寫道：「我們發現了新的基因家族，新擴增或減少的基因家族，還有MADS-box基因類別中出現的變化(調控蘭花進化過程中多個發育階段)。這項工作揭示了蘭花進化進程中的關鍵遺傳事件。」
奇妙的「達爾文猜想」
蘭花有近3萬種，約占開花植物物種的10%，是植物界種類最豐富的家族之一。除了兩極和極乾旱的沙漠，它可以奇跡般地生存於地球上許多的栖息地。科學界對於蘭科植物的研究淵源久矣，就連達爾文都對其情有獨鐘。眾所周知，數學界里有個聞名於世的數學難題「哥德巴赫猜想」。這是德國數學家哥德巴赫於1742年提出的一個關於素數的科學問題，即「任何一個偶數均可表示兩個素數之和」，簡稱「1+1」。這個看似簡單的猜想，要證明它卻委實不易，200多年來「引無數英雄競折腰」。而在植物傳粉生物學中，也有一個類似的「達爾文猜想」，而它的主角正是蘭科植物。1862年，在舉世聞名的《物種起源》發表3年后，達爾文出版了一部研究蘭花的著作《蘭科植物的受精》。達爾文研究蘭花的目的，是要證明自然選擇是生物進化的動力，從而為《物種起源》提供補充材料。他在這本書中詳細描述了許多結構獨特的蘭花是如何巧妙地吸引昆蟲，為其傳粉受精，以實現「傳宗接代」。一天，他收到了一份包裹，里面有一份來自馬達加斯加的蘭花，叫大彗星蘭。它擁有6枚輻射狀的白色花被，呈星狀。最令人詫异的是，從花的開口到底部是一條長達28﹒6厘米的細管，只有底部3﹒8厘米處才有花蜜。這令人驚駭的花距令達爾文十分困惑：「天知道是什麼樣的昆蟲才能夠吸到它的花蜜?」在通過一系列的模擬試驗后，達爾文大膽地預測：「在馬達加斯加必定生活著一種蛾，它們的喙能夠伸到25厘米長!」這個猜想遭到當時昆蟲學家們的普遍質疑，直到1903年，才有人在馬達加斯加發現了一種巨型天蛾斯芬克斯蛾，它幾乎有一隻小鳥那麼大，喙長30厘米，雙翼幅寬達15厘米。從看到大彗星蘭的第一眼，達爾文便天才般地預測了長喙天蛾的存在，時隔41年后，這個猜想被驗證，從而進一步佐證了自然選擇進化論學說。由此，達爾文的進化論才會被恩格斯視為「19世紀自然科學的三大發現之一」。在達爾文之后的100多年時間里，蘭花一直是進化生物學家關注的焦點。2003年，眉蘭花香成分的測定，證實了這種蘭花是依靠釋放假的「性激素」來誘騙雄胡蜂傳粉的。越來越多的研究，讓人類逐步認識了千奇百怪的蘭花，但蘭花進化之謎在相當長一段時間內，卻一直未有突破性進展。
躲過第三次大滅絕的遺傳奇跡
究竟是多大的魅力才能吸引著無數科學家去研究它的遺傳奧秘?深圳市蘭科植物保護研究中心副主任張國強表示：「蘭科植物是植物界最大和進化程度最高的家族之一，相對於人類大約400萬年的生存長河，蘭花的歷史更為漫長，可能達到1.25億年之久。它能活至今天必定有其過人的本領。它與時俱進的生存策略，對人類具有重要啟示，所以從這個意義上說，保護和研究蘭花等同於保護和研究我們人類自己。」而此次研究就發現了所有現存蘭花的祖先曾在第三次生物大滅絕事件前發生了一次全基因組复制(即基因組加倍，WGD)事件，由此開啟了現生蘭花的起源。在全基因組复制事件后蘭花的祖先多了一套基因，成功躲過了此次大滅絕。而生物大滅絕后的地球生態系統遭到嚴重破壞，但蘭花隨即通過基因的擴張和收縮致使基因組出現了分化而形成了5個亞科，產生了更多的多樣性而迅速適應了新的生態系統。張國強解釋說：「6600萬年前，天外行星撞擊地球，驟變的地球生態環境，讓包括恐龍在內的生物消失殆盡，是為地球第三次生物大滅絕。蘭花卻有幸逃過一劫。蘭花『大難不死』的秘密就保存在它的基因中。國際科研團隊發現，現存蘭花的祖先曾在第三次生物大滅絕事件之前，就完成了一次全基因組复制(即基因組加倍)。正常人類的基因是從父母處各獲取50%，而蘭花的同一個基因被复制了兩次。」
「全基因組复制事件使得蘭花在應對大滅絕后殘酷的生態環境時，有了更從容的應對能力。而蘭花在后期根據環境的變化進行篩選，保留一些適應新環境的基因，剔除沒有用的基因。為了適應新的生態系統，蘭花分化形成5個亞科，於是有些蘭花攀援生長，有些只能匍匐在地。所有現存於地球上的蘭花，都是恐龍滅絕時期幸存的蘭花后代。」張國強表示。
深圳擬蘭成解謎關鍵
在此次項目研究中，深圳擬蘭的發現非常關鍵。蘭科的五個亞科分別為：擬蘭亞科、香莢蘭亞科、杓蘭亞科、蘭亞科和樹蘭亞科。很早之前，劉仲健的科研團隊就已注意到擬蘭屬物種擁有幾個有別於其它蘭花的獨特特徵：花不扭轉，輻射對稱，無唇瓣，雄蕊和雌蕊分生，花粉粒散生、沒有聚集成塊狀;植株地生，具有發達的地下根。擬蘭具有與仙茅相似的「原始」性狀，被認為是最接近於達爾文推測的「假蘭」，是研究蘭花進化的好材料，但取材非常困難。「中國擬蘭之前多分布在雲南，但是它們的形態特徵都不符合實驗要求，這讓研究團隊極為苦惱。而深圳擬蘭的發現，真可謂「踏破鐵鞋無覓處」，正好滿足了實驗的要求。」劉仲健告訴記者，2011年，研究團隊在深圳市梧桐山進行野外植物資源調查時，無意間發現了一種擬蘭新物種，特此命名為「深圳擬蘭」。深圳擬蘭是一個自花授精的物種，它的發現為蘭科植物的進化研究提供了很好的實驗材料。「針對深圳擬蘭這種蘭科小分支品種進行基因組測序，將能為研究蘭花進化提供參考，揭示所有蘭花共有的古老(全基因組拷貝)的明確證據，從而有助於重建古代蘭花基因工具包，并為許多蘭花特徵提出新見解。」劉仲健表示。不過，尋找深圳擬蘭也極其不易，而進行基因檢測要求的樣本量又很大，研究團隊耗時三年之久，踏遍了珠三角地區，前后跑了近四十趟，才完成樣本的初步采集。「婀娜花姿碧葉長，風來難隱谷中香。不因紉取堪為佩，縱使無人亦自芳。」記者在深圳梧桐山下的國家蘭科中心采訪時，看見院子里有一塊大石頭非常醒目，上面刻著「有人也芳無人也芳苑」，這似乎隱喻著院內科研人員如芝蘭般高雅的追求。劉仲健教授癡迷於蘭科植物研究，30年如一日，連節假日亦罕有休息。2006年，他就曾與清華大學深圳研究生院教授在《Nature》上發表論文，宣稱在世界上首次發現一種新穎的、完全由雄性花藥主動運動而不藉助於任何外部傳遞媒介完成的自花傳粉機制，受到了國際專家的高度好評。此后，他又組織并聯合多家研究機構在世界上率先開展「蘭花基因組計劃」。劉仲健的科研團隊讓中國在蘭花基因組研究方面引領世界之先。現時，國家蘭科中心收集的國內外活體種質資源達到220萬株，是世界上收集蘭科植物物種最多的研究機構。
