Nature Plants | 俞皓团队揭示兰花石斛属基因组演化及其适应性进化特征

兰科（Orchidaceae）是被子植物中最大且最具多样性的科之一，其中石斛属（Dendrobium Sw.） 作为兰科的三大属之一，约包含1800个物种。石斛兰通常以附生或岩生方式生长，具有粗壮的气生根、发达的假鳞茎以及形态各异、变化丰富的双侧对称花朵。由于其观赏和药用价值，以及独特的生物学特征，石斛兰受到公众和研究者的广泛关注，成为全球研究的热点，并为多个热带和亚热带地区和国家的重要经济作物。然而，由于石斛兰在形态上的显著多样性、广泛的组间远缘杂交以及对多种栖息地的强大适应性，其系谱发育关系仍存在争议，进化轨迹的遗传基础尚不清楚。此外，基因组数据的缺乏也限制了对其适应性进化遗传特征的深入研究。

近日，新加坡国立大学和淡马锡生命科学研究院俞皓院士团队在Nature Plants在线发表了题为Pangeneric genome analyses reveal the evolution and diversity of the orchid genus Dendrobium的研究论文。该研究首先构建了石斛兰品种Dendrobium Chao Praya Smile的单倍型基因组（图1），并对来自12个组（section）的原生种石斛兰进行了基因组组装与注释，深入分析了石斛兰2800万年间的演化遗传基础（图2），揭示了石斛属古老遗传变异的保留机制及其在不同栖息地适应性进化过程。

由于石斛兰具有较长的营养生长阶段（从一年到多年不等）以及特殊的繁殖特征，其分子生物学研究远远落后于其他主要植物模式物种。俞皓课题组长期致力于石斛兰的分子遗传学和基因组学研究，并筛选出Dendrobium Chao Praya Smile作为遗传学研究的理想模式材料。在近年的研究中，连续揭示了一系列参与兰花发育的重要调控基因【1-3】，并利用CRISPR/Cas9系统介导的基因组编辑技术，获得了基因组大片段删除的稳定转基因兰花株系【4】。Dendrobium Chao Praya Smile (2n=2x=38) 是一个杂交二倍体品种，由蝴蝶石斛组和羚羊石斛组的8个原生种杂交而来。该研究首先构建了该品种的单倍型基因组，并鉴定了导致等位基因分化的结构变异，突显了石斛属不同组间来源对生长发育可塑性的重要性。例如，Hap 2_DcpsWSD11在第一个内含子中的两个大片段缺失导致其在多个花器官（如萼片、花瓣和唇瓣）中的表达水平高于没有内含子缺失的Hap 1_DcpsWSD11，从而导致兰花的不同形态特征（图1）。

图1 Dendrobium Chao Praya Smile结构变异影响等位基因特异性表达

图2石斛兰系统发育及其基因组进化特征

进一步研究表明，石斛属在与蝴蝶兰属和兰属分化之后，保留了高度保守的基因和古老的遗传信息，包括核心/软核心基因、石斛属特有的保守非编码序列以及古老的染色体倒位。这些遗传元素对于碳代谢等关键生物过程至关重要。大约在2800万年前，石斛属分化为北部和南部分支，尽管两者在形态上没有明显的分类特征，但在分子特征上存在显著差异。例如，LTR反转录转座子在北部分支中特异性扩增；与生活型演化相关的AGL12同源基因在北部分支中丧失，而在南部分支的物种中则被保留并发生了新功能分化（图3）。此外，为了适应多样化的栖息地，石斛属表现出显著的基因组动态性和快速的进化，其基因组大小差异超过两倍，并伴随208个基因家族的扩张和频繁的染色体重排。尽管未发现石斛属特异的全基因组重复事件，转座子的扩张显著推动了基因组进化和多样性，使其适应剧烈的环境变化。转座子在石斛属不同物种中表现出动态扩张，并促使新基因的产生，如对生态适应至关重要的FAR1基因和参与花器官发育的AP3基因（图3）。转座子通过插入内含子改变基因结构，导致石斛属内含子与外显子长度比率远高于其他被子植物。同时，携带物种特异性转座子的基因在表达、进化速率和功能分化方面表现出更大的变化。

图3 石斛兰生长发育关键基因的分子进化研究

综上所述，该研究通过在兰花“属”水平上进行种间基因组分析，为石斛属基因组演化及基因功能分化提供了新的视角，并为揭示兰花独特形态特征和繁殖策略背后的分子机制开辟了新的研究方向。

新加坡国立大学俞皓院士为通讯作者，俞皓课题组的李燕博士和张斌博士为论文共同第一作者，张松瑶博士，Chui Eng Wong博士，吴昱瑾博士，博士研究生赵铭以及华中农业大学梁齐齐博士，Glbizzia Biosciences庞帅博士参与了本项研究。该研究得到了新加坡国立大学和淡马锡生命科学研究院的支持。

参考文献：

[1] Li, Y., Zhang, B. & Yu, H. Molecular genetic insights into orchid reproductive development. J. Exp. Bot. 73, 1841-1852 (2022).

[2] Wang, Y., Li, Y., Yan, X., Ding, L., Shen, L. & Yu, H. Characterization of C- and D-Class MADS-Box Genes in Orchids. Plant Physiol. 184, 1469-1481 (2020).

[3] Li, Y., Zhang, B., Wang, Y., Gong, X. & Yu, H. DOTFL1 affects the floral transition in orchid Dendrobium Chao Praya Smile. Plant Physiol. 186, 2021-2036 (2021).

[4] Li, Y., Zhang, B. & Yu, H. Kilobase-scale genomic deletion of DOTFL1 in Dendrobium orchids. J. Genet. Genom. 49, 81-84 (2022).

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-024-01902-w