蘭科植物的起源和進(jìn)化

陸祥家, 蘭思仁, 蔡文杰, 劉仲健,6

(1.福建農(nóng)林大學(xué)蘭科植物保護(hù)與利用國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002;2.福建農(nóng)林大學(xué)園林學(xué)院，福建 福州350002;3.臺(tái)灣成功大學(xué)蘭科植物研究和發(fā)展中心，臺(tái)灣 臺(tái)南 701;4.臺(tái)灣成功大學(xué)熱帶植物科學(xué)研究所，臺(tái)灣 臺(tái)南 701;5.臺(tái)灣成功大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，臺(tái)灣 臺(tái)南 701;6.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，廣東 廣州 510640)

被子植物又名開花植物或有花植物，起源于早白堊紀(jì)或更早時(shí)期，在白堊紀(jì)末期(6 500年前)發(fā)生大量的輻射適應(yīng)后，它們占據(jù)了幾乎所有的生境[1].古植物學(xué)及分子系統(tǒng)發(fā)生學(xué)與分支學(xué)兩大領(lǐng)域的研究徹底改變了植物學(xué)家對(duì)植物進(jìn)化的理解[2].作為被子植物最大的科之一，蘭科分為5個(gè)亞科，有超過28 000個(gè)種[3].蘭科植物如何進(jìn)化出如此豐富的多樣性，必須結(jié)合最新的基因組數(shù)據(jù)、化石及分子生物學(xué)技術(shù)進(jìn)行相關(guān)研究，以加深對(duì)蘭科植物進(jìn)化過程的了解，從而對(duì)被子植物進(jìn)化有進(jìn)一步的理解.因此，研究蘭科植物的起源和進(jìn)化是植物學(xué)研究中的重要課題.

蘭科植物的多樣性體現(xiàn)在花形態(tài)的起源與進(jìn)化上，花部發(fā)育是受MADS-box基因家族的調(diào)控.古老起源的MADS-box基因編碼了一個(gè)長(zhǎng)度為55～60個(gè)氨基酸的高度保守的MADS(MCM1/AGAMOUS/DEFICIENS/SRF)結(jié)構(gòu)域.MADS-box基因通過全基因組復(fù)制(whole gene duplication, WGD)在有花植物中擴(kuò)增，并參與開花時(shí)間、花器官分化、果實(shí)發(fā)育和植株發(fā)育的調(diào)控[4-5].MADS-box基因家族的古老起源和進(jìn)化，對(duì)植物的繁殖器官，特別是蘭科植物花的形態(tài)建成尤為重要.因此，MADS-box基因家族成為蘭科植物進(jìn)化研究的重要對(duì)象.本文將重點(diǎn)介紹蘭科植物基因組的研究進(jìn)展，并揭示MADS-box基因家族在蘭科植物花形態(tài)建成和進(jìn)化中的作用.

1 現(xiàn)存蘭科植物的起源

1.1 古生物學(xué)研究結(jié)果

第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的蘭科植物化石的花粉塊以附著在Proplebeiadominicana(一種滅絕的無刺蜂)胸背上的方式，被保存在多米尼加共和國(guó)的15～20百萬年前的中新世琥珀中[6]；之后，另一個(gè)更古老的蘭科植物化石被發(fā)現(xiàn)在中新世波羅的海的40～45百萬年前的琥珀中[7].然而，分子系統(tǒng)進(jìn)化樹研究表明，現(xiàn)存蘭科植物的最近共同祖先可能早在76～84百萬年前的白堊紀(jì)晚期就已出現(xiàn)[5].而結(jié)合蘭科生物地理學(xué)和系統(tǒng)發(fā)育推測(cè)，蘭科植物最早出現(xiàn)在112百萬年前的澳大利亞[8].總之，目前已知的蘭科植物化石仍然稀少，且比理論上的蘭科植物共同祖先更為年輕.因此，蘭科植物的起源仍然是一個(gè)謎，而通過蘭科植物基因組學(xué)的研究為探索其起源和進(jìn)化提供新方法.

1.2 基因組學(xué)研究結(jié)果

作為植物學(xué)研究中的一種寶貴資源，基因組序列可以通過比較基因組學(xué)的研究探討植物進(jìn)化的問題，也為蘭科植物的起源和進(jìn)化提供了技術(shù)支撐和借鑒.在植物中，擬南芥(Arabidopsis)的全基因組在2000年首次通過Sanger法完成測(cè)序，該方法使用了細(xì)菌人工染色體(BAC)、噬菌體(P1)和具有轉(zhuǎn)化能力的人工染色體(TAC)文庫來進(jìn)行測(cè)序[9].繼擬南芥之后，又以此相同的方式對(duì)另外3種植物(水稻、高粱和玉米)的基因組進(jìn)行了測(cè)序[10-12].隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，測(cè)序技術(shù)及用于組裝大量測(cè)序數(shù)據(jù)算法的進(jìn)步，次世代測(cè)序技術(shù)在測(cè)序植物基因組方面變得更受歡迎和更為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠[13].近年來，第3代測(cè)序技術(shù)已經(jīng)可得到平均長(zhǎng)度為20 kb的長(zhǎng)讀長(zhǎng)數(shù)據(jù)，為克服復(fù)雜和多倍體植物基因組組裝提供了幫助[14-15].到目前為止，大約有200種植物已經(jīng)進(jìn)行了基因組測(cè)序與組裝，其中包括模式和非模式植物[16].這些技術(shù)和成果促進(jìn)了蘭科植物基因組學(xué)的研究.蘭科植物中3個(gè)物種(小蘭嶼蝴蝶蘭Phalaenopsisequestris、鐵皮石斛Dendrobiumcatenatum和深圳擬蘭Apostasiashenzhenica)高質(zhì)量的參考基因組已經(jīng)完成了測(cè)序與組裝[17-19].這些基因組數(shù)據(jù)結(jié)合蘭科植物化石證據(jù)為推測(cè)蘭科植物的起源和演化歷史提供了新的方法.

1.3 蘭科植物的起源

現(xiàn)存蘭科植物的5個(gè)亞科分別為擬蘭亞科(2屬17種)、香莢蘭亞科(15屬180種)、杓蘭亞科(5屬130種)、樹蘭亞科(500多屬24 000種)和蘭亞科(208屬3 630種)[3,19].不像其他蘭科亞科的花那樣具有兩側(cè)對(duì)稱、唇瓣(修飾的花瓣)、蕊柱(雄蕊和雌蕊融合生成的合蕊柱)和花粉塊(粘合成的花粉粒)，擬蘭亞科的花具有輻射對(duì)稱的花被，沒有完全特化的唇瓣；具有3個(gè)雄蕊，部分與雌蕊合生形成相對(duì)簡(jiǎn)單的合蕊柱和粉狀花粉[19-20].此外，系統(tǒng)發(fā)生學(xué)研究表明，擬蘭亞科通常被認(rèn)為是蘭科的基部類群[21-22].因此，擬蘭亞科被認(rèn)為比其他現(xiàn)存的蘭科亞科起源更古老.解決現(xiàn)存蘭科植物起源之謎的可能方法之一就是能夠?qū)M蘭亞科與其他蘭科亞科基因組之間進(jìn)行對(duì)比研究.而覆蓋所有蘭科亞科的12種蘭科植物的旁系同源基因中的每個(gè)同義位點(diǎn)(Ks)的同義取代分布顯示了Ks為0.7～1.1，這反映了蘭科植物存在一次WGD事件.蘭科植物與蘆筍Asparagusofficinalis(蘭科植物近緣科的物種)之間的旁系同源物和直系同源Ks分布的比較結(jié)果表明，這次WGD事件僅存在于蘭科植物的共同祖先中.結(jié)合共線性分析和同線性分析的結(jié)果表明，蘭科植物這一特異性WGD事件發(fā)生在白堊紀(jì)/古近紀(jì)的分界線附近.現(xiàn)存蘭科植物的共同祖先發(fā)生WGD后，隨即在短期內(nèi)通過基因的丟失或擴(kuò)張，分化為5個(gè)亞科，其中，擬蘭亞科丟失的基因最多.這些結(jié)果暗示著擬蘭亞科可能不是蘭科最古老的類群，也許只是擁有更為古老的性狀而已.基于5個(gè)現(xiàn)存的蘭科亞科從一個(gè)共同的祖先獨(dú)立進(jìn)化而來的觀點(diǎn)，那么，若將WGD后設(shè)定為現(xiàn)存蘭科植物基因組進(jìn)化的一個(gè)基點(diǎn)，可以認(rèn)為：(1)未發(fā)生WGD前的蘭科植物祖先，其基因組大小只是發(fā)生WGD后蘭科植物的一半.因此，未發(fā)生WGD前的蘭科植物與現(xiàn)存的蘭科植物在形態(tài)上將存在重大差異.(2)現(xiàn)存蘭科植物的祖先在發(fā)生WGD后擁有最完整的遺傳信息，隨即開始基因的丟失或擴(kuò)增，開啟了現(xiàn)存蘭科植物的進(jìn)化起點(diǎn).(3)現(xiàn)存的蘭科植物主要在發(fā)生WGD后，不同的蘭科植物通過特異的基因丟失和擴(kuò)張進(jìn)而分化為5個(gè)亞科.在5個(gè)亞科中，擬蘭亞科丟失的基因最多，而樹蘭亞科丟失的最少.因此，樹蘭亞科的基因組最接近蘭科植物的共同祖先在發(fā)生WGD后的基因組，并可能保留了比較多當(dāng)時(shí)的特征.而擬蘭亞科丟失的基因最多，其形態(tài)可能更接近發(fā)生WGD前的蘭科植物祖先特征.

基于蘭科植物WGD后的基因組信息，相對(duì)于蘭科的分子系統(tǒng)進(jìn)化樹[23]，頂部的類群擁有基因組信息與發(fā)生WGD時(shí)最為相近，而基部的類群與發(fā)生WGD時(shí)差別最大，更接近WGD前的蘭科植物.基因組分析結(jié)果顯示，WGD后先形成蘭科植物的兩側(cè)對(duì)稱性(唇瓣的出現(xiàn))，隨后由于調(diào)控唇瓣發(fā)育基因的丟失導(dǎo)致唇瓣演化為“花瓣”，產(chǎn)生了輻射對(duì)稱性的擬蘭亞科的花.因此，WGD后蘭科植物可能從兩側(cè)對(duì)稱演變?yōu)檩椛鋵?duì)稱.兩側(cè)對(duì)稱的蘭科物種促進(jìn)傳粉?；缘男纬梢愿舆m應(yīng)新生境，從而分化出更多的物種.受蘭科植物進(jìn)化路徑的啟發(fā)，被子植物的進(jìn)化可能具有與蘭科植物相似的模式：現(xiàn)在所有被子植物的科幾乎同時(shí)都出現(xiàn)在白堊紀(jì)晚期，它們幾乎都發(fā)生了與蘭科植物相似的WGD[24].現(xiàn)存被子植物的前祖先發(fā)生了WGD，躲過了白堊紀(jì)晚期的大滅絕事件后，占據(jù)滅絕物種留下的生態(tài)位而產(chǎn)生大量的輻射適應(yīng).這為現(xiàn)存的被子植物突然在白堊紀(jì)晚期發(fā)生物種大量輻射適應(yīng)，而之前很少出現(xiàn)的“達(dá)爾文進(jìn)化之謎” 提供了一種解釋.因此，在追蹤被子植物的起源，追溯它們的前祖先時(shí)不應(yīng)該只以現(xiàn)在的被子植物的形態(tài)作為參考標(biāo)準(zhǔn)，它們有可能具有截然不同的形態(tài).

2 蘭科植物形態(tài)的進(jìn)化

正如前面所述，擬蘭亞科與其他4個(gè)亞科在形態(tài)上有很大的差異，特別是在花的唇瓣、蕊柱和花粉形態(tài)上明顯不同.通過對(duì)深圳擬蘭與其他蘭科植物以及被子植物基因組的比較，發(fā)現(xiàn)蘭科植物有474個(gè)特有基因家族.因此，得以重建一個(gè)蘭科植物祖先的基因工具包和基因池，并可從中窺視蘭科植物新的基因家族及其擴(kuò)張和收縮的進(jìn)化歷史，特別是調(diào)控蘭科植物開花的MADS-box基因“生”與“死”的歷史蹤跡，從而揭示了唇瓣、合蕊柱、花粉塊、無胚乳種子的發(fā)育及地生與附生習(xí)性進(jìn)化的分子機(jī)制.

2.1 MADS-box基因家族和蘭科植物花部形態(tài)的進(jìn)化

圖1 MADS-box基因家族在蝴蝶蘭中的表達(dá)模式Fig.1 Expression pattern of MADS-box genes in Phalaenopsis perianth

蘭科植物演化成一個(gè)很獨(dú)特的類群[22]在于它的花部器官的構(gòu)成：3枚萼片、3枚花瓣(其中一枚特化為唇瓣)和合蕊柱[19].MADS-boxⅡ類基因家族包括E類、C/D類、 B-AP3和AGL6基因家族，比其他物種有更多套基因.這些擴(kuò)張的基因家族調(diào)控了蘭科植物花部器官的發(fā)育[25-29](圖1).

合蕊柱是蘭科植物花部構(gòu)成的一個(gè)標(biāo)志性的器官，經(jīng)分析和驗(yàn)證的結(jié)果顯示，合蕊柱的發(fā)育由一個(gè)C類基因 PeMDAS1和一個(gè)D類基因PeMADS7所調(diào)控[30-31].蝴蝶蘭基因組數(shù)據(jù)的應(yīng)用，已鑒定MYB基因調(diào)控花的顏色的形成[31]以及TCP基因調(diào)控胚珠的發(fā)育[32].

唇瓣(修飾的花瓣)可以吸引傳粉者并為其提供采蜜時(shí)的“著陸平臺(tái)”[33-34]，然而，深圳擬蘭具有一個(gè)未分化的唇瓣和輻射對(duì)稱的花被(圖2).MADS-box中的B-AP3和E類基因參與調(diào)控其唇瓣的形成[17,35-36].在深圳擬蘭、小蘭嶼蝴蝶蘭和鐵皮石斛中分別有2、4、4個(gè)B-AP3基因和3、6、5個(gè)E類基因. B-AP3和E類基因的數(shù)量均在深圳擬蘭中減少.B-AP3基因的進(jìn)化樹和共線性分析表明，B-AP3和E類基因在現(xiàn)存蘭科植物的共同祖先中擴(kuò)增，而深圳擬蘭丟失了B-AP3和E類同源基因而不能形成特化的唇瓣，導(dǎo)致花被恢復(fù)到祖先狀態(tài)(圖3)[19].

a：擬蘭屬的花；b：蝴蝶蘭屬的花.圖2 蘭科植物的花部形態(tài)Fig.2 The morphology of orchid flowers

圖3 參與蘭科植物形態(tài)進(jìn)化的MADS-box基因Fig.3 MADS-box genes involved in the morphological evolution of orchids

2.2 蘭科植物的塵狀種子和多樣化

種子形成于植物的繁殖階段，無論是裸子植物還是被子植物均是這樣.一般來說，種子中發(fā)芽的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通常儲(chǔ)存在胚乳中.然而，蘭科植物種子僅含有胚芽，沒有胚乳和其他明顯的組織分化.未能形成功能性的胚乳會(huì)導(dǎo)致在單個(gè)蒴果內(nèi)含有大量微小種子(稱為粉狀種子)[37].MADS-boxⅠ類基因在種子發(fā)育中起關(guān)鍵作用，特別是在胚乳發(fā)育的早期階段和指定雌配子體時(shí)期[38-40].MADS-boxⅠ類基因可分為3類：Mα、Mβ和Mγ. Mα和Mγ MADS-box基因在小蘭嶼蝴蝶蘭、深圳擬蘭和大葉仙茅Molineriacapitulata的種子發(fā)育過程中表達(dá)[19].然而，Mβ MADS-box基因不存在于蘭科植物基因組中，包括小蘭嶼蝴蝶蘭、深圳擬蘭和鐵皮石斛，但在擬南芥、毛果楊Populustrichocarpa、水稻Oryzasativa和大葉仙茅中發(fā)現(xiàn)[19].因此，丟失的Mβ MADS-box基因可能與蘭科植物的種子沒有胚乳相關(guān)[18]，從而形成微小的種子[33].蘭科植物進(jìn)化出沒有胚乳的種子，而將能量用于更多種子的產(chǎn)生致使一個(gè)果實(shí)可達(dá)幾萬個(gè)種子，同時(shí)，變小的種子更容易傳播以占領(lǐng)新生境形成新物種.

蘭科植物種子缺乏營(yíng)養(yǎng)來源(胚乳)，迫使蘭科植物種子以獨(dú)特的方式發(fā)芽.蘭科植物種子發(fā)芽后在葉片發(fā)育成熟之前，劫持了共生菌根真菌并吸收共生真菌的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[41].有趣的是，胚乳中后合子的雜交屏障是植物中主要的雜交障礙類別之一[42-43].即使是不發(fā)育胚乳的蘭科植物種子，它也可能在蘭科植物中引起低強(qiáng)度的種間雜交障礙[44].蘭科植物，如小蘭嶼蝴蝶蘭進(jìn)化出自交不親和的繁殖系統(tǒng)，是由于在其基因組的雜合區(qū)存在大量的雜合子所致[17].然而，缺乏較強(qiáng)的種間雜交障礙和雜合區(qū)在多種蘭科植物中發(fā)現(xiàn)，如陰生紅門蘭[45]、紅門蘭[46]、眉蘭[47-48]和樹蘭[49-50]，且在東南亞的兜蘭種群中證實(shí)了網(wǎng)狀進(jìn)化[51].因此，推測(cè)種間雜交和屬間雜交在蘭科植物物種多樣性的演變中起著重要作用.

2.3 花粉塊的形成

花粉塊是一種花粉粒粘合成塊的組織，在蘭科和蘿藦科中獨(dú)立進(jìn)化，可以附著在授粉昆蟲身上以便傳播，在該種群的輻射分布方面發(fā)揮作用[52-53].在維管束植物中，MIKC*MADS-box基因(包括P-和S-亞類基因)在花粉成熟過程中的雄配子體發(fā)育中的功能是相當(dāng)保守的[53-54].除了具有散生花粉粒的深圳擬蘭，P-亞類基因已經(jīng)在蘭科植物中丟失[19].相比于其他4個(gè)亞科具有龐大的物種(從180種到超過24 000種)，現(xiàn)存擬蘭亞科僅有少量物種(17種).因此，其他亞科的蘭科植物MIKC*MADS-box基因中P-亞類成員的丟失被認(rèn)為導(dǎo)致花粉塊的進(jìn)化(圖2)[55].花粉塊的形成，是蘭科進(jìn)化史上的一項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新，在促進(jìn)蘭科植物新物種的形成上起重大作用.這是由于花粉塊形成后產(chǎn)生了花朵間一對(duì)一的傳粉模式，促成了生殖隔離從而有助于新物種的形成.不像擬蘭亞科那樣，一朵花的花粉可以散播給許多朵花而造成后代同質(zhì)化.

2.4 蘭科植物附生習(xí)性和景天酸代謝的進(jìn)化

許多蘭科植物具有附生習(xí)性，它們不在地面上生長(zhǎng)，而是附生于其他植物(通常是樹木)、巖石和任意固態(tài)物上.附生性蘭科植物可更接近陽光和/或進(jìn)入幾乎沒有競(jìng)爭(zhēng)的領(lǐng)地[16-17].附生性蘭科植物的根部有一些特殊的適應(yīng)性構(gòu)造，包括海綿表皮和根膜，以幫助它們緊貼樹木，從雨水和空氣中收集水分和養(yǎng)分[20,56-57].擬南芥中的AGL12基因調(diào)控根分生組織的細(xì)胞增殖而分化出地生根，而絲葉貍藻Utriculariagibba由于缺乏AGL12相似基因，沒有形成真正意義上的根[58-59].附生種類的蘭科植物也沒有AGL12相似基因，但地生的深圳擬蘭含有一個(gè)在根部高度表達(dá)的類似AGL12基因.此外，與根相關(guān)的MADS-box基因亞家族ANR1在附生蘭(小蘭嶼蝴蝶蘭和鐵皮石斛)中也減少[19].功能性四聚體復(fù)合物的形成是花器官特定MADS-box蛋白的顯著特征[59].兩種花被特定基因(B-AB3和E類)及兩種與根發(fā)育相關(guān)的MADS-box基因(AGL12和ANR1)分別在深圳擬蘭和小蘭嶼蝴蝶蘭中一起丟失(圖3).因此，推測(cè)AGL12和ANR1基因可能參與類似于B-AP3和E類的功能性復(fù)合物的合成.當(dāng)這些基因丟失時(shí)，參與復(fù)合物形成的其他基因則不能發(fā)揮更多功能，致使蘭科植物生長(zhǎng)出氣生根，從而進(jìn)化出蘭科植物的附生特征.另一方面，調(diào)控景天酸代謝的基因(α碳酸酐酶)明顯擴(kuò)張致使蘭科植物進(jìn)化出景天酸代謝功能[17,29,60-62]，促進(jìn)了附生習(xí)性的產(chǎn)生.鐵皮石斛大量抗性基因(R-基因)的擴(kuò)張和多糖合成通路的進(jìn)化使它能適應(yīng)不同的生態(tài)條件而有較為廣闊的分布區(qū)[18].這種附生特性的形成，可使蘭科植物利用其他植物所不能利用的生境進(jìn)行生長(zhǎng).這些生境之間存在很大差異，容易隔斷蘭科植物物種的基因交流(即生境隔離)，有助于促進(jìn)新物種的產(chǎn)生.

3 結(jié)論和展望

比較基因組學(xué)是研究物種進(jìn)化的一種非常有用的技術(shù)方法.通過比較擬蘭亞科和樹蘭亞科完整的高質(zhì)量參考基因組，揭示現(xiàn)有的蘭科植物是從一個(gè)共同祖先進(jìn)化而來的，它在白堊紀(jì)后期發(fā)生WGD后開啟了現(xiàn)存蘭科植物的起源，隨后在較短的時(shí)間內(nèi)通過基因的丟失和擴(kuò)張分化出5個(gè)亞科.蘭科植物獨(dú)特形態(tài)的進(jìn)化是由相關(guān)基因參與調(diào)控所致.因此，在此基礎(chǔ)上開展對(duì)尚未有全基因組數(shù)據(jù)的香莢蘭亞科、杓蘭亞科和蘭亞科的3個(gè)亞科物種參考基因組的測(cè)序，將有助于全面了解蘭科植物的進(jìn)化及形態(tài)多樣化形成的分子機(jī)制.