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墨兰基因组物理图谱由兰科中心联合率先绘制

//办公室 更新:2018-03-24 阅读 296 次

323日上午,在第28届中国(翁源)兰花博览会开幕式上,兰科中心主任刘仲健教授宣布了“墨兰基因组与国兰形态的进化”重大科研成果——在全球率先成功绘制墨兰基因组的物理图谱,该成果受到了来自全国各地媒体的广泛关注。

兰科植物(俗称兰花)占全世界植物种类10%,是植物界第二大家族,单子叶植物第一大家族。同时是世界性的濒危物种,也是国际贸易公约保护物种的重中之重。它是植物界进化程度最高的家族之一,是生物多样性和进化研究以及生物保护的理想模式类群,具有极高的科研、生态、观赏、文化和药用价值,是我国最珍贵的野生植物资源之一。中国人对兰花从来就有着一种崇奉的情感,中国人栽培观赏兰花,可谓历史悠久,源远流长,国人将兰誉为国香、香祖;说兰为王者之香、百草之长;说兰为君子之花、德人之花。

兰属是兰科中最具观赏价值的类群之一,其中的地生种类(即国兰,主要包括墨兰、春兰、蕙兰、寒兰、建兰、莲瓣兰)是我国传统观赏花卉。墨兰(Cymbidium sinense)又称“报岁兰”,是中国兰花中一个较为庞大的家族,被誉为我国十大传统名花之一,是国兰中最具观赏价值的物种,同时也是最具广东特色的花卉种类之一。墨兰的叶艺类型之多,栽培品种之多(目前有名共识的园艺品种多达上千种),是其他一切观叶植物及其他兰花物种所无与伦比的。从墨兰叶面彩纹的多样性和变化的复杂性而言,其叶艺堪称一切观叶植物之冠。墨兰作为国兰的代表性物种,以其独具的东方文化色彩,丰富的历史内涵和浓厚的东方美学意趣观赏价值而博得世人的由衷喜爱。

为了抢占科学研究先机,获取大量基因资源和信息,充分挖掘兰花资源,构建高通量分子生物学和生物信息学研究平台,搭建适应生物数据时代的大规模信息分析系统和数据库,获取有重大价值的发现。20171月,广东省农科院环境园艺研究所、深圳市兰科植物保护研究中心、华南师范大学等单位联合组成攻关团队,启动了广东省自然科学基金研究团队项目“墨兰花分化与发育的分子调控机理研究”,开展了墨兰基因组项目。这一重大研究计划在世界上首次对墨兰进行全基因组测序和生物信息分析,同时对相关种类的转录组进行测序和分析。

经过共同努力和深入研究,科研团队成功绘制了墨兰基因组的物理图谱(Hi-C),借助Hi-C辅助组装技术,基因组组装达到染色体水平,Scaffold N50=159MContig N50=200K分析结果显示墨兰染色体数目为2N=2X=40,基因组大小为4.25G,杂合度约1.5%,属于高杂合复杂基因组。它仅与所有的兰花共享了一次全基因组复制事件,并于3600万年前已经分化。墨兰基因组重复序列比例高,使得墨兰比目前所有已测序的兰科植物基因组都大。预测的蛋白编码基因数量29895个。

该科研团队通过对墨兰基因组的数据进行分析,结合最前沿的RNA测序技术、蛋白组测序技术、miRNA检测以及基因功能验证,蛋白相互作用分析等分子生物学手段,找出国兰进化中经历的关键事件,从而解析国兰形态的进化历程,解码国兰形态多变的奥秘。通过对数据分析挖掘发现,墨兰的植株建成基因,如叶形态由CPC基因调控,矮种是由于染色体多倍后的表现形式;花形态的MADS-box基因调控花朵瓣型,如荷瓣的分子调控机制。同时发现了调控多瓣、花瓣雄蕊化(梅瓣),花瓣唇瓣化(三星蝶),花瓣或萼片半唇瓣化(蝶花)以及无性花如“绿云”形态建成的分子机制,以及花色调控如“桃姬”等的花青素和花香的代谢通路。

科研人员充分利用广东特色墨兰的资源优势,开展以全基因组测序为基础的兰花重要性状的功能基因研究,开展以FT基因为核心的成花诱导调控和以MADS-box基因为核心的花器官分化与发育分子机制、兰花分子标记辅助育种、分子设计育种、开花调控以及花型发育模型等前瞻性研究,并利用大数据组学分析手段整合生物学功能研究,突破一批关键技术难点,从基因组到形态对墨兰的“国兰艺术”全部要素(含线艺、叶艺、花色、花香、花型等)进行分子解码,建立了墨兰重要性状的分子调控网络模型,揭示了国兰观赏性状的分子调控机制,为国兰的园艺性状改良、分子育种和基因编辑提供切实可行的理论指导。

墨兰基因组精细图谱的绘就,将对国兰的研究实现跨越性的突破,将大力推进墨兰乃至所有兰科植物相关产业链的发展。对于促进兰科植物保护、兰花品种创新和提升我国在生物学、生物多样性等领域的研究水平具有重大意义,推进了中国兰科植物基因组测序技术的进一步发展,为兰花种业发展、开花调控以及花型发育模型研究提供了新材料、新路径和重要依据,推动种业发展并将取得重大的经济和社会效益。该研究同时也为建立和培养一支具有国际领先水平的兰花分子生物学科研团队,打造以广东为主的国际兰花基因研究中心和分子育种基地奠定坚实基础。

该研究获得广东省自然科学基金研究团队项目的资助。
 
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