Nature Plants | 福建农林大学兰思仁/刘仲健团队揭示兰花真菌异养进化的分子机制

责编 | 王一

2022年4月21日，福建农林大学兰思仁教授和刘仲健教授领衔的兰花团队在Nature Plants在线发表了题为Genomes of leafy and leafless Platanthera orchids illuminate the evolution of mycoheterotrophy的研究论文，通过比较分析兰科植物真菌异养三类演化生活型（初始型、部分型和完全型）的物种基因组，揭示了真菌异养兰花形态建成和营养获取的分子机制。

陆地植物的出现是生命演化历史长河中的重要事件，推动了整个陆地生态系统的演化。而与土壤真菌结盟被认为是植物“征服”陆地的关键创新——植物与真菌共生“mycorrhizal symbiosis”。绝大多数植物通过真菌帮助获取土壤的水份和矿物质，并将光合作用固定的碳源有机物回报真菌。然而，这种共生互惠之道在包括苔藓类、石松类、蕨类和种子植物的所有陆地植物谱系中存在多次颠覆性反转：植物生长发育生存依赖的水、矿物质和碳源有机物都主要借助真菌获得，甚至一些类群不进行光合作用，整个生活周期完全依赖真菌提供碳源及其他营养物质。科学家根据植物依赖真菌提供营养的强度不同将其分为三个类型：初始真菌共生型——植物的早期发育阶段完全依赖真菌提供碳源，比如藓类、石松类和蕨类配子体阶段以及兰科等种子的萌发阶段；部分真菌共生型或称混合营养型——植物生活史至少有一阶段的部分碳源由真菌提供，而部分来至自身的光合作用产物；完全真菌共生型或被称为腐生——植物整个生活史的碳源都由真菌提供。

真菌异养的起源与演化是两个多世纪以来一直争论和猜测的科学问题。由于缺乏合适的自养和异养相关对比模式植物，至今有关其认知依然滞后。兰科植物种子萌发都依赖真菌提供营养，属于典型的真菌共生型植物，是真菌异养植物物种多样性最高的类群（全科约28000种），同时包括大量部分真菌异养及完全真菌异养的独立演化分支，是研究真菌异养的理想类群。该研究团队于2018年发现报道了部分真菌异养（紫金舌唇兰Platanthera zijinensis）和完全真菌异养（广东舌唇兰P. guangdongensis）的一对“姐妹”兰花（图1）。为此，研究团队组装了该两种舌唇兰的基因组并结合其他已测序的兰花基因组数据进行比较分析，为从初始型—部分型—完全型的真菌异养进化过程提供了详细解析。

图1 部分真菌异养紫金舌唇兰（a）和完全真菌异养广东舌唇兰（b）。

研究发现，当兰花从初始真菌异养到部分真菌异养再到完全真菌异养过程中，参与光合作用、叶和根发育以及黑暗环境下营养吸收的基因发生了丢失，同时碱基替换率增加。具体来说，研究发现了光合作用基因、光感受器基因和生长素转运蛋白基因缺失，导致完全真菌异养的兰花产生无叶和无根的表型，占领无光的生态位。同时还发现它们可以持续表达海藻糖水解酶基因，使兰花能够消化菌丝中的海藻糖，使部分和完全真菌异养兰花可以将真菌作为营养源，这是异养真菌兰花的关键创新。黑暗是真菌异养进化过程中重要的环境因素，它抑制了叶片和根系的发育启动，进一步影响调控海藻糖水解酶基因的表达。

兰花的自养和真菌异养与海藻糖水解酶基因表达的情况相关，研究认为完全腐生的兰花是兰花原球茎阶段的延续。这也解释了为什么兰科植物的完全异养真菌的发生频率高于其他植物。伴生真菌的营养供应可能为兼性腐生的兰花提供适应优势，使非典型光合植物以此来探索新的生态位，如扩展到低光的森林深处。混合营养型植物的祖先进一步适应了黑暗的环境，丢失了光响应和光合作用相关的基因，并终止了叶片和根系的发育，由此最终产生了完全真菌异养兰花（图2）。

图2 兰花真菌异养的分子机制。a. 在兰花的生命周期中，最初皆为真菌异养，因为它们种子萌发都依赖从真菌中获取的海藻糖等有机物。b. 无叶和无根的完全真菌异养型兰花表型与大多数光响应和生长素转运因子的丢失有关。c. 部分真菌异养兰花保留了调控叶和根发育的基因。d. 完全真菌异养兰花从真菌中获取海藻糖和其他营养物质（d-1, 2），而部分真菌异养兰花除了从真菌中获取营养物质外，还能进行光合作用（d-3）。

广东舌唇兰和紫金舌唇兰是目前已全基因组测序兰花中最大的两个基因组，也是兰亚科第一次被测序的两种兰花，填补了兰科植物进化研究的一个空白，具有重要的科学意义。正如论文作者兰思仁教授所说“我们一直好奇为什么所有的兰花种子尘状且没有胚乳，而且完全真菌异养的无根和无叶兰花，如广东舌唇兰，它的形态是怎么建成的，又是怎样获取所需的营养。这复杂性状背后的作用机制一直不清楚，被称为“鬼兰”之谜。我们的研究发现，完全真菌异养兰花通过表达海藻糖水解酶基因和启动磷、氮响应机制掠夺真菌养分，从而揭密了“鬼兰”进化之谜”。因此，本研究还原和构建了真菌异养兰花进化的场景和兰花与真菌互作的基本框架，更新了传统的兰花与真菌共生互利的认知。同时，重建兰亚科祖先的基因工具包，推进了兰科植物的起源与演化研究。

对这一研究成果，美国康奈尔大学的Fay-Wei Li博士认为“这是一项引人入胜且构思周密的研究。针对两个亲缘关系密切的舌唇兰属物种的比较——一个是完全的真菌异养，一个是部分的真菌异养，是非常巧妙的，确实为真菌异养的进化提供了许多重要的见解”。

值得一提的是，Nature Plants同期配发了题为“Mycoheterotrophy: Turning to dark side”的新闻评论（News & Views）。此外，Nature Portfolio也同步在线发表了题为“The evolutionary mechanisms of mycoheterotrophic orchids”的研究简报，对该项成果进行了介绍。期刊编辑也对该工作给予了高度的评价“长久以来，生物学家一直对兰花物种的进化很感兴趣。Li等人的这项工作引起了我的注意，因为它为兰科兰亚科中部分型或完全型真菌异养的两种兰花提供了高质量的基因组，还揭示了兰花基因组如何随着真菌异养生活方式的进化而改变，以及哪些基因进化事件对它们与真菌的共生关系做出了贡献”。

福建农林大学李明河博士、陆祥家博士，比利时根特大学李臻博士，清华大学刘可为博士和广东紫金白溪省级自然保护区叶钦良教授级高级工程师为论文共同第一作者。福建农林大学兰思仁教授、刘仲健教授，比利时根特大学Yves Van de Peer教授和中国台湾成功大学蔡文杰教授为共同通讯作者。清华大学黄来强教授，中国科学院植物研究所罗毅波研究员，中国科学院华南植物园王洁雨博士以及武汉大众源生（PubBio）科技有限公司王志文团队参与相关研究。该工作得到国家重点研发项目和国家自然科学基金等项目的联合资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-022-01127-9