兰花花器官及成花基因调控研究进展.pdf

中国农业大学学报 2 0 2 3 2 8 7 5 7 6 7 J o u r n a l o f C h i n a A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y h t t p z g n y d x x b i j o u r n a l s c n 史梅容 舒文波 邱明萱 李林宴 韩蕾 孙振元 巨关升 李振坚 兰花花器官及成花基因调控研究进展 J 中国农业大学学报 2 0 2 3 2 8 0 7 5 7 6 7 S H I M e i r o n g S H U W e n b o Q I U M i n g x u a n L I L i n y a n H A N L e i S U N Z h e n y u a n J U G u a n s h e n g L I Z h e n j i a n C u r r e n t p r o g r e s s o n g e n e r e g u l a t i o n i n t h e f l o r a l o r g a n a n d f l o w e r f o r m a t i o n o f o r c h i d J JournalofChinaAgriculturalUniversity 2 0 2 3 2 8 0 7 5 7 6 7 D O I 1 0 1 1 8 4 1 j i s s n 1 0 0 7 4 3 3 3 2 0 2 3 0 7 0 5 兰花花器官及成花基因调控研究进展 史梅容1 舒文波2 邱明萱2 李林宴2 韩蕾1 孙振元1 巨关升1 李振坚1 1 中国林业科学研究院林业研究所 国家林业局林木培育重点实验室 北京1 0 0 0 9 1 2 华中农业大学园艺林学学院 园艺植物生物学教育部重点实验室 武汉4 3 0 0 7 0 摘 要 为了更有效地对开花植物中最大家族之一的兰科 O r c h i d a c e a e 植物进行开花调控 对具有蕊柱和唇瓣等 独特花结构的兰花花器官调控和成花过程的分子遗传基础进行了阐述 并在此基础上对兰科花发育的调控进行了 展望 结果表明 1 兰花花器官A B C D E模型中 A和E类基因决定萼片 A B和E类基因决定花瓣 B C和E类 基因决定雄蕊 而D和E类基因决定心皮 2 温度 光周期和激素是决定兰花花起始和发育的关键 3 成花过程中 的转录组 基因组以及功能基因验证的研究 取得了较大的突破 综上 本研究可为兰花花发育的分子遗传基础研 究开辟新的思路 关键词 兰科植物 花器官 成花 基因调控 中图分类号 S 6 8 文章编号 1 0 0 7 4 3 3 3 2 0 2 3 0 7 0 0 5 7 1 1 文献标志码 A 收稿日期 2 0 2 2 0 8 1 3 基金项目 国家重点研发计划专项 2 0 1 8 Y F D 1 0 0 0 4 0 0 中央高校基本科研业务费项目 2 6 6 2 0 1 9 Q D 0 1 2 华中农业大学园艺林学学院科技创新基金 S R F 2 0 2 2 Y L S R F 1 6 第一作者 史梅容 O R C I D 0 0 0 0 0 0 0 3 0 2 6 6 5 3 2 4 副教授 主要从事兰花相关研究 E m a i l m e i r o n g s h i 9 9 y e a h n e t 通讯作者 孙振元 O R C I D 0 0 0 0 0 0 0 2 2 4 7 5 4 7 8 5 研究员 主要从事园林植物与观赏园艺研究 E m a i l s u n z y 2 6 3 n e t C u r r e n t p r o g r e s s o n g e n e r e g u l a t i o n i n t h e f l o r a l o r g a n a n d f l o w e r f o r m a t i o n o f o r c h i d S H I M e i r o n g 1 S H U W e n b o 2 Q I U M i n g x u a n 2 L I L i n y a n 2 H A N L e i 1 S U N Z h e n y u a n 1 J U G u a n s h e n g 1 L I Z h e n j i a n 1 1 ResearchInstituteofForestry KeyLaboratoryofTreeBreedingandCultivationofStateForestryAdministration ChineseAcademyofForestry Beijing100091 China 2 CollegeofHorticultureandForestry KeyLaboratoryofHorticulturePlantBiologyofMinistryofEducation HuazhongAgricultureUniversity Wuhan430070 China A b s t r a c t InordertoeffectivelyregulatethefloweringofOrchidaceae oneofthelargestfamiliesoffloweringplants themoleculargeneticbasisoffloralorganregulationandfloweringprocessoforchidswithuniquefloralstructuressuch asstamensandlabellumwereelaborated Onthisbasis theregulationoforchiddevelopmentwasprospected The resultsshowedthat 1 IntheABCDEmodeloforchidflowerorgans typeAandEdeterminesepals typeA BandE determinepetals typeB CandEdeterminestamens andtypeDandEdeterminecarpels 2 Temperature photoperiodandhormonesarethekeyfactorstodeterminetheinitiationanddevelopmentoforchids 3 Great breakthroughsaremadeintheresearchoftranscriptome genomeandfunctionalverifiedgenesduringflowering In conclusion thisreviewcanopenupnewideasforresearchonthemoleculargeneticbasisofflowerdevelopmentin orchids K e y w o r d s Orchidaceae floralorgan flowerformation generegulation 中国农业大学学报2 0 2 3年第2 8卷 兰花是兰科 O r c h i d a c e a e 植物的总称 有5个 亚科 杓兰亚科 S u b f a m C y p r i p e d i o i d e a e 拟兰亚 科 S u b f a m A p o s t a s i o i d e a e 树兰亚科 S u b f a m E p i d e n d r o i d e a e 香荚兰亚科 S u b f a m V a n i l l o i d e a e 和兰亚科 S u b f a m O r c h i d o i d e a e 8 0 0多个属和2 8 0 0 0多个种 具有地生 腐生和附生 3种生活型 是植物最大的开花家族之一 位列中国 十大名花之一 1 其中 兰属 CymbidiumS w 蝴蝶兰属 PhalaenopsisBlume 文心兰属 Oncidiumhybridum 卡特兰属 CattleyaL i n d l 兜兰属 PaphiopedilumP f i t z 万代兰属 Vanda coerulescens 和石斛兰属 Dendrobium 已成为7大 商品化兰花 2 目前 兰花商品化应用的主要瓶颈 是花器官的形成和花期的调控 所以 对兰花花器 官调控和开花过程进行研究 对兰花产业的发展尤 为重要 兰花花器官有其独特性 而开花过程可分 为成花和花发育2个阶段 每个阶段都由相应的 基因调控 3 虽然分子遗传方法已使人们对模式 植物 如拟南芥 Arabidopsisthaliana 和水稻 OryzasativaL 中的花器官形成以及成花机制 有所了解 4 但目前对兰花成花的整体认识仍不 甚透彻 本研究重点研究了兰花花器官调控以及 成花的分子调控机制 并解析了兰花成花转录组 基因组和已功能验证的相关基因 以期为兰花开 花研究提供重要的基础信息 开辟新的研究策略 和途径 1 兰花花器官调控的分子机制 1 1 兰花花器官特征 与其他开花植物相比 单子叶兰花进化出了壮 观的花形态特征 以适应其特殊的授粉和适应性繁 殖策略 1 长期进化中 兰科植物形成了独有的花 被结构 由3个萼片 S e p a l 2个花瓣 P e t a l 1个 由花瓣特化成的唇瓣 L i p 以及合蕊柱 G y n o s t e m i u m 组成 图1 a 1 成花是植物的 重要特征之一 其表达模式可以分为A B C或 A B C D E模型 A B C D E模型解释了五类花同源异型 基因的相互作用 以确定每个花器官的特性 图1 b 1 兰花与其他植物在A B C D E表达模 式的基因相似 A和E类基因一起决定萼片 A B 和E类基因决定花瓣 B C和E类基因共同决定雄 蕊 而D和E类基因决定心皮 1 5 a 兰花花结构侧视图 左 与俯视图 右 的比较 b 拟南芥花发育的A B C D E模型 AP1 无瓣花1 AP2 无瓣花2 AP3 无瓣花3 PI 雌蕊 AG 无性生殖 STK 种子储备 SEP SEPALLATA a C o m p a r i s o n o f s i d e v i e w s l e f t a n d t o p v i e w s r i g h t o f t h e f l o r a l s t r u c t u r e s o f o r c h i d b T h e A B C D E m o d e l o f f l o w e r d e v e l o p m e n t i nArabidopsis AP1 APETALA1 AP2 APETALA2 AP3 APETALA3 PI PISTILLATA AG AGAMOUS STK SEEDSTICK SEP SEPALLATA 图1 兰花花器官发育 F i g 1 F l o r a l o r g a n d e v e l o p m e n t o f o r c h i d s 85 第7期史梅容等 兰花花器官及成花基因调控研究进展 1 2 兰花花器官调控 对兰花中高度特化的花结构进行研究 不仅揭 示了参与花发育的基因 还揭示了A B C D E模型调 控的复杂性 1 A B C D E基因属于M A D S b o x转录 因子家族的MIKCC基因 兰花植物的成花是由 M A D S b o x型转录因子介导 目前 已在拟南芥花 同源异型基因和其他物种的同源物中分离到各种兰 花 如兰花属 石斛属 文心兰属和蝴蝶兰属 的 MIKCC基因 一些功能亦得到了验证 4 1 2 1 A和E类基因 A和E类基因属于AP1 AGL9超家族 6 A 功能基因来自SQUA l i k e亚群 可分为FUL AGL8 l i k e和euAP1 l i k e演化支 E功能基因来自 包含AGL9 l i k e和AGL2 3 4 l i k e c l a d e s的SEP l i k e亚群 AGL6是SQUA l i k e和SEP l i k e亚群 间的A P 1 A G L 9群 4 研究发现 蝴蝶兰玫瑰 PhalaenopsisFormosaR o s e 的ORAP11和 ORAP13基因在花芽早期高度表达 7 且过表达 DOAP1的转基因梳唇石斛 DendrobiumChao PrayaSmile 表现出开花早 花序分生组织过早 转变为花分生组织 1 但台湾蝴蝶兰 Phal aphrodite 的PaAP1 1和PaAP1 2基因则在雌蕊 和花粉发育中发挥作用 而PaAGL6 1基因在唇瓣 表达 PaAGL6 2在所有花器官中表达 8 蝴蝶兰 杂种A t h e n s的PhaMADS1和PhaMADS2基因 在授粉前的子房中高表达 而PhaMADS4 PhaMADS5和PhaMADS7皆在萼片 花瓣和唇瓣 中表达 9 但石斛兰 D MadameT o n g I n 中的 DOMADS2仅在花发育后期的花柱上表达 文心兰 OncidiumG o w e r R a m s e y OMADS6 OMADS7和 OMADS11基因在除雄蕊外的所有花器宫中均有表 达 6 过表达OMADS6产生心皮状萼片和雄蕊状 花瓣 1 黄花文心兰的AP1同源基因OMADS10 在成熟花的唇瓣和心皮中表达 但过表达文心兰 OMADS1基因导致花期提前 1 0 木石斛 D crumenatumS w 的DcOAP2基因在所有花器官中 都有表达 1 1 小扇叶兰 Erycinapusilla 的AP1 like 基因EpMADS10 EpMADS11和EpMADS12在所 有花器官中皆弱表达 4 另外 小兰屿蝴蝶兰的 PeSEP基因在所有花器官中都有表达 1 2 但石斛 兰 D MadameT o n g I n 中DOMADS1和DOMADS3 基因以及鸽石斛 D crumenatum 中的DcOSEP1 基因在花转变过程中不断被激活 并持续到成熟的 花阶段 1 3 且沉默蝴蝶兰PeSEP3导致花被片转化 为叶状组织 1 1 2 2 B类基因 兰花B类基因包含DEFICIENS DEF APETALA3 AP3 l i k e和GLOBOSA GLO PISTILLATA PI l i k e基因 且所有花器官都可 检测到B类基因 1 对兰科植物的B类基因进行 调查 发现1 1个物种具有4个AP3和2个PI同源 基因 1 4 台湾蝴蝶兰的PaAP3 1 PaAP3 2 PaAP3 3和PaAP3 4基因在萼片 花瓣和唇瓣 柱 中表达 8 石斛的DcOAP3A和DcOPI基因在所有 花器官中积累 1 3 意大利兰 Orchisitalica 的 OrcPI和OrcPI2基因在未成熟花芽的所有花器官 中均表达 而狐尾兰 Rhynchostylisgigantea 中的 RgPI在所有花器官表达 1 5 蝴蝶兰杂种PhPI10 基因仅在唇瓣表达 1 6 小兰屿蝴蝶兰 Phal equestris 的PeMADS4基因决定蝴蝶兰的唇 形 1 7 文心兰的OMADS5基因负向调控唇瓣结 构 1 8 而春兰 Cymbidiumgoeringii 花被的形成 是通过A B和E类基因的共表达 1 9 1 2 3 C和D类基因 C和D类基因是由被子植物基因复制和多样 化事件产生的 1 C和D类基因都属于M A D S b o x基因的A G亚家族 在A B C D E模型中 C类基 因对于雄蕊和心皮的发育非常重要 而D类基因则 是胚珠发育所必需 4 小兰屿蝴蝶兰的PeMADS1 基因参与蕊柱的发育 2 0 蝴蝶兰和雅典蝴蝶兰 Phal Athens 的C类和D类基因中的PhIAG1 和PhIAG2 在唇瓣 蕊柱和胚珠中均有表达 但 PhaMADS8 PhaMADS9和PhaMADS10在蕊柱 和子房中均有特异性表达 木石斛 D crumenatum S w 和球花石斛 D thyrsiflorum 的DcOAG1表 达于所有花器宫 DcOAG2仅在子房表达 但 DthyrAG1和DthyrAG2在授粉后的花序和胚珠中 均有表达 1 3 2 1 且梳唇石斛C类基因DOAG1和D 类基因DOEG2都参与了蕊柱的形成 2 2 黄花文 心兰的OMADS4基因在雄蕊和心皮中表达 但 OMADS2基因的表达仅限于心皮的柱头腔和子 房 2 3 兰属CeMADS1基因只在柱中表达 而 CeMADS2基因在所有花器官中部有 2 4 桃红蝴蝶 兰PeMADS1和PeMADS7与柱和胚珠发育 有关 1 95 中国农业大学学报2 0 2 3年第2 8卷 2 兰花成花转导机制 大多数兰花需要数年时间才能完成幼年阶 段 4 成花是由被称为开花时间的基因启动 该基 因调节着营养分生组织向花分生组织的转化 然 后 花分生组织相关基因调节花的形成 一旦成花 开始 控制花中螺旋形成的基因就会表达 虽然在 被子植物中出现了花形态的极端变异 但可以区分 出4种相对简单的花器官 即萼片 花瓣 雄蕊和心 皮 4 在此 本研究从分子遗传学的角度 综述近年 来兰花成花和花发育的研究 2 1 兰花成花信号 中国野生兰科植物约有2 0 8个属1 7 6 1个种 包括特有种6 0 1种 中国兰花主要分布在热带 亚 热带以及长江流域以南地区 包括华东 华南和西 南 世界兰科有5大观赏属 中国有兜兰属 蝴蝶 兰属 兰属和石斛属4个属 且2 0 1 9年观赏兰花年 产值占花卉总产值2 0 中国花卉协会兰花分会内 部资料 兰科植物花的同源异型突变频率较高 这 使其在花的形态 大小和颜色等特征上有着高度的 差异 1 9 2 5 2 0 2 1年国家重点保护野生植物名录 第 二批 共列入国家重点保护野生兰科植物2 9种和8 类 为保存丰富的兰花资源 中国花卉协会批准建 设了1 0个国家级兰花资源库 其中 广东农科院环 艺所已收集保存各类兰花资源1 3 6 5份 2 6 福建农 林大学森林兰苑保存濒危兰科植物1 2 0 0种及人工 种质资源3 0 0 0多份 中国花卉协会兰花分会内部 资料 这表明 兰花存在多样的栖息地 兰花多样的生境表明兰花可能已经进化出不同 的开花策略 以应对各种环境和发育条件 图2 1 例如兰花中都有明显的全基因组复制 W G D 事件 可能与兰花的多样性有关 树兰亚科 S u b f a m E p i d e n d r o i d e a e 中的各种兰花对不同的环境温度和 光照条件作出响应 从而诱导开花 低温促进蝴蝶 兰 春兰和石斛的开花 而高温促进文心兰属和几个 石斛杂交品种的开花 同时短日照下 有助于五唇兰 Phalpulcherrima 和米尔顿兰 Miltoniopsis orchids 的开花 而短日照下扇兰 Psygmorchis pusilla 花峰值的诱导与日照长度的增加呈正相 关 1 此外 也有研究表明 植物激素 如细胞分裂 素 C T K 和脱落酸 A B A 对兰花的花转变有促进 作用 1 相比生长素抑制花尖的起始 赤霉素 G A 3 开花抑制子和启动子分别显示在粉色和黄色框中 而环境和发育信号则显示在基因上方 F l o w e r i n g r e p r e s s o r s a n d p r o m o t e r s a r e s h o w n i n p i n k a n d y e l l o w b o x e s r e s p e c t i v e l y w h i l e e n v i r o n m e n t a l a n d d e v e l o p m e n t a l s i g n a l s a r e i n d i c a t e d a b o v e t h e g e n e s 图2 兰花开花时间的遗传调控 F i g 2 G e n e t i c c o n t r o l o f f l o w e r i n g t i m e i n o r c h i d s 06 第7期史梅容等 兰花花器官及成花基因调控研究进展 对开花没有影响 但可挽救高温下花朵发育障碍 1 这些结果表明 兰花在决定开花时 会对常见的外部 和内部信号作出反应 2 2 兰花成花的主要影响因子 在成花过程中 花期 环境温度和光周期是决定 兰花起始和个体发育的关键 成花是开花植物生命 周期的关键 这种从营养生长向生殖生长的转变是 发育状态和多种环境累积的响应 1 植物开花由多 种遗传途径组成复杂的网络进行调节 包括光周期 春化 赤霉素 年龄 自主和热感应途径 1 目前 对 兰花成花的机制研究有限 而阐明兰科植物的开花 机制 将有助于兰花育种及其商业化潜力 4 在成 花过程中 幼年期 环境温度和光周期是决定兰花始 花和季节的关键因素 4 目前 已发现6条受内外 信号调控开花的分子遗传机制 环境温度途径 光周 期途径 春化途径 赤霉素途径 生物钟途径和自主途 径 图3 保证了不同环境下兰花开花 当前 在兰科 植物中 石斛属植物花发育相关的研究较为完善 2 7 由图3可知 外部温度变化 生物钟和光周期导致石斛 昼夜节律的变化 而后许多信号通路被激活 包括植物 激素中的细胞分裂素 生长素和赤霉素 一些关键基 因 如DnVRN1 DoSOC1 DoAP1 DnCOL和DnFT 等 被发现与花发育相关 本研究主要从分子生物学 的角度总结近年来兰花成花的主要进展 图3 石斛属植物花发育相关的环境因子及基因 27 F i g 3 E n v i r o n m e n t a l f a c t o r s a n d g e n e s r e l a t e d t o f l o w e r d e v e l o p m e n t i nDendrobium 2 7 2 2 1 温度对兰花成花的影响 温度是兰花成花的关键因子 温度水平以及昼 夜温差都会影响花芽分化与发育 3 不同种类兰花 对环境温度的要求不同 2 8 一些兰花对温度变化的 开花反应不同 如低温促进金钗石斛 2 9 美堇兰属 Miltoniopsis 蝴蝶兰属和轭瓣兰属 Zygopetalum 开花 4 而文心兰属 4 和一些石斛杂交品种 3 0 开花 需高温环境 另外 也发现一些与温度相关的开花 基因 在感应低温下 黑斑蝴蝶兰FLOWERING LOCUST1 PaFT1 基因被上调 3 1 目前 对蝴蝶 兰低温诱导花发育的基因调控网络研究较为完善 图4 具体为低温诱导PaFT1表达 与PaFD相 互作用 激活诱导成花所需的下游基因 4 2 2 2 光周期对兰花成花的影响 光周期以信号方式向植物光受体 主要为光敏 色素 P h y t o c h r o m e s 向光素 P h o t o t r o p i n 和隐花 色素 C r y p t o c h r o m e 传递生物钟变化 从而诱导 C O表达 启动开花相关基因的表达 3 研究发现 不同种类的兰花对光周期的要求也不同 如五唇兰 Phal pulcherrima 9 h光照比1 2 h光照能更有 效地启动开花 3 2 扇兰 Psygmorchispusilla 花的 形成与白天时长的增加呈正相关 3 3 美堇兰在 16 中国农业大学学报2 0 2 3年第2 8卷 图4 低温条件下台湾蝴蝶兰的开花调控 F i g 4 F l o w e r i n g r e g u l a t i o n o fPhal formosaa t l o w t e m p e r a t u r e 2 3 短日照 S D 后转移到低温 1 1 1 4 有 利于开花 3 0 但光周期对台湾蝴蝶兰开花没有显著 影响 4 另外 也发现一些与光周期相关的基因影 响开花 如文心兰中的开花启动子FT OnFT 的表 达受光周期的调控 3 4 霍山石斛DhPEBPs具有与 FT TFL1对立的调节开花的功能 3 5 铁皮石斛 DoSUTs在主要花器官的发育中起作用 4 朵丽蝶 兰杂交种的EARLYFLOWERING4 like4 DhEFL4 基因受光周期调节 3 6 蝴蝶兰CO l i k e Phalacol 的异位表达 引起烟草早期开花表 型 3 7 2 2 3 植物激素对兰花成花的影响 植物激素对兰花开花也有影响 4 植物激素对 大花蕙兰花的形态发生和发育起重要作用 3 8 蝴蝶 兰花发育需开花茎尖中维持最佳的G A 3 9 而6 苄 基氨基嘌呤 B A 促进了单轴兰花 蝴蝶兰 和合生 兰花 石斛兰 的开花 且与赤霉素 G A 联合使用 对开花也有促进作用 4 0 在蝴蝶兰和朵丽蝶兰中 喷施B A可提前3 9 d产生花序 4 1 A B A在兰花 的成花过程中发挥了抑制作用 4 2 且N A A也抑制 兰花花芽分化 延迟花期 3 可见 植物激素对植物 开花有显著影响 但其效果差异较大 2 3 兰花成花功能基因组研究 目前 我国已经开发出一些兰花新品种 如通过 野生资源的驯化筛选 中国已培育出兰花品种5 9 6 个 2 6 采用多倍体技术 已在大花蕙兰 石斛兰和蝴 蝶兰等中获得了多倍体植株 4 3 兰花杂交育种也是 获得新品种的一个重要手段 从1 8 5 4年第一个在 英国皇家园艺学会 R o y a l H o r t i c u l t u r a l S o c i e t y R H S 国际兰花品种登录委员会登录的兰花杂交 种虾脊兰 Cal furcata Cal masuca 开始 目前 登记的兰花杂交种已超过1 4万个 主要包括石斛 兰 卡特兰 万代兰 兜兰 蝴蝶兰 兰属和文心兰 表1 4 4 另外 通过生物技术也获得了一些兰花 新品种 如白色文心兰 黑色蝴蝶兰和蓝色蝴蝶兰 等 这些不同开花品种的获得 为我们研究兰花的 开花分子机制 提供了丰富的材料 2 3 1 兰花成花转录组研究 近年来 兰科多种植物利用转录组测序技术 在 花器官 成花和花发育等转录组研究方面取得了很 大的进展 如中国台湾成功大学热带植物研究所建 立了O r c h i d B a s e 3 0 收集到5个亚科的1 0种兰花 花器官转录组数据 4 5 并对蝴蝶兰 4 6 卡特兰杂交 种K O V A 4 7 等的花部特征进行了转录组分析 同时 对建兰 2 5 4 8 4 9 等的唇瓣和重瓣进行了转录组分析 在花启动方面 研究人员对蝴蝶兰 3 1 等进行了转录 组分析 在低温花诱导方面 研究人员对金钗石斛 D nobileL i n d l 和台湾蝴蝶兰 5 0 5 2 等进行了转 录组分析 在春化作用方面 研究人员对金钗石斛的 春化腋芽 5 3 和石斛春化过程中的细胞分裂素 C T K 赤霉素 G A 信号网络 5 1 等进行了转录组 分析 在花发育方面 对竹叶兰 Arundinagraminifolia D D o n H o c h r 5 4 大花蕙兰 丹心兰 5 5 和铁皮 石斛 5 5 6 等进行了转录组分析 最近 在大花惠兰 26 第7期史梅容等 兰花花器官及成花基因调控研究进展 表1 RHS注册登录的兰科杂交品种 T a b l e 1 R H S r e g i s t e r e d O r c h i d a c e a e h y b r i d 名称 N a m e 总数 个 T o t a l 育种者 个 B r e e d e r 全球登录最多的 单位或个人 T h e m o s t l o g g e d i n u n i t s o r i n d i v i d u a l s i n t h e w o r l d 国家或 地区 C o u n t r y o r r e g i o n 总数 个 T o t a l 中国登录最多的 单位或个人 T h e m o s t l o g g e d i n u n i t s o r i n d i v i d u a l s i n C h i n a 总数 个 T o t a l 石斛 Dendrobiumnobile L i n d l 1 1 9 4 4 1 5 7 0 J Y a m a m o t o日本7 7 0 C L L a i 中国台湾 9 5 卡特兰 Cattleya hybrida H J V e i t c h 3 7 5 7 0 3 4 9 9 A r m a c o s t美国9 5 6 0 0 万代兰 Vanda 7 2 0 7 1 4 7 0 R F O r c h i d s美国6 5 3 0 0 兜兰 Paphiopedilums p p 2 3 9 4 2 1 3 6 1 R a t c l i f f e英国1 5 6 5 0 0 蝴蝶兰 Phal aphrodite H G R e i c h e n b a c h 3 2 3 2 5 2 1 0 6 H a u s e r m a n n s O r c h i d s 美国1 4 2 3广东农科院环艺所2 1 兰属 CymbidiumS w 1 4 8 0 6 1 1 2 1 M u k o y a m a日本7 1 1广东农科院环艺所2 1 文心兰 Oncidiumhybridum 9 6 7 2 1 1 6 3 C h a r l e s w o r t h L t d 英国1 6 3 6 H w u l u d u e n O r c h i d s 中国台湾 1 4 0 Cymbidium 和文心兰 Erycina 转录组分析中 发 现了许多可能影响开花的基因 4 2 3 2 兰花成花基因组研究 兰花基因组测序项目和其他先进工具 如基因 组编辑技术 极大地促进了兰花花发育的分子生物 学研究 兰花基因组研究的一个关键里程碑是 2 0 1 5年蝴蝶兰的测序 随着更经济有效的测序技 术的快速发展 兰科植物中已有1 8个物种先后完成 了高质量参考基因组测序与组装 主要包括蝴蝶兰 小兰屿蝴蝶兰 铁皮石斛 深圳拟兰 白花蝴蝶兰 香 荚兰 建兰 霍山石斛 鼓槌石斛 墨兰 沉香虎头兰 黄色素花 黄辉大花蕙兰和金钗石斛等 表2 5 7 这些兰花基因组序列的发布 为在全基因组范围内 鉴定和比较具有潜在新功能的兰花基因提供了巨大 的机会 例如 在兰花花发育调控中起关键作用的 M A D S b o x基因 1 在小兰屿蝴蝶兰和蝴蝶兰的基 因组中分别鉴定出5 1和5 6个 尽管这些兰花基因 组中的M A D S b o x基因总数远少于拟南芥 1 0 7个 基因 和水稻 8 0个基因 的基因组 但兰花中含有 更多与花器官形成有关的M A D S b o x基因 这种差 异意味着增加的M A D S b o x基因可能与兰花高度 特异多样性的花形态特征有关 拟兰亚科和其他亚 科间M A D S b o x基因的数量不同进一步支持了这 一假设 36 中国农业大学学报2 0 2 3年第2 8卷 表2 兰科已完成全基因组测序的种 T a b l e 2 S p e c i e s o f o r c h i d a c e a e w h o s e w h o l e g e n o m e h a s b e e n s e q u e n c e d 亚科 S u b f a m i l y 中文名 C h i n e s e n a m e 拉丁名 L a t i n n a m e 亚科 S u b f a m i l y 中文名 C h i n e s e n a m e 拉丁名L a t i n n a m e 拟兰亚科 A p o s t a s i o i d e a e 树兰亚科 E p i d e n d r o i d e a e 深圳拟兰Apostasiashenzhenica 多枝拟兰Apostasiaramifera 铁皮石斛Dendrobiumofficinale 霍山石斛Dendrobiumhuoshanense 金钗石斛Dendrobiumnobile 鼓槌石斛Dendrobiumchrysotoxum 墨兰 Cymbidiumsinense 春兰 Cymbidiumgoeringii 建兰 Cymbidiumensifolium 香荚兰亚科 V a n i l l o i d e a e 兰亚科 O r c h i d o i d e a e 大花香荚兰Vanilaplanifolia 天麻Gastrodiaelata 勐海天麻Gastrodiamenghai 小兰屿蝴蝶兰Phalaenopsisequestris 蝴蝶兰Phalaenopsisaphrodite 白花蝴蝶兰Phalaenopsisamabilis 广东舌唇兰Platantheraguangdongensis 紫金舌唇兰Platantherazijinensis 沉香虎头兰 黄色素花 黄辉大花蕙兰 Cymbidiumtracyanumv a r h u a n g h u a Cymbidium faberic v h u a n g h u i 2 3 3 兰花成花基因功能验证 近来 兰科基因功能鉴定技术也取得了飞速发 展 与许多其他作物相似 兰科首先使用基因枪 法 5 8 5 9 将外源基因导入兰花基因组 进一步利用农 杆菌介导法 将外源基因转入蝴蝶兰 石斛属 大花 蕙兰和文心兰等 6 0 6 1 并使用原球茎外植体将蝴蝶 兰的转化过程缩短到8个月 6 0 另外 建立了高效 的墨兰原生质体分离及瞬时表达体系 6 2 将病毒诱 导基因沉默 V i r u s i n d u c e d g e n e s i l e n c i n g V I G S 技术应用于兰科植物的基因功能验证 6 3 随着许 多兰花高质量基因组序列的完成 表2 CRISPR Cas9基因编辑系统已成功应用于蝴蝶兰 铁皮石斛 和霍山石斛 1 迄今为止 通过异源系统或同源系统瞬时转化技 术 发现兰花开花的特性高度保守 图2 例如 过 表达FT l i k e基因 CymbidiumCgFT Dendrobium DOFT DnFT OncidiumOnFT和Phalaenopsis PaFT1 SOC1 l i k e基因 DendrobiumDOSOC1 DnAGL19 CO l i k e基因 CymbidiumCsCOL1 CeCOL和PhalaenopsisPaCOL1 和其他开花相关 的同源基因 DendrobiumDcOAG1 DOAGL24 DOAP1 DOFTIP1 OncidiumOMADS2 OMADS4 OMADS6 OSEP3 OMADS7 OAGL6 1 OMADS10 OAP1 OMADS11和PhalaenopsisPaFD PeMADS7 PeSEP3 导致早花 而SVP l i k e基因 Cymbidium CgSVP2和DendrobiumDOSVP TFL1 l i k e基因 DendrobiumDOTFL1和OncidiumOnTFL1 和其他基 因 CymbidiumCgCOL和DoritaenopsisDhEFL2 3 4 的异位表达 延迟了不同类型转基因植物的开 花 1 6 1 2 1 3 2 3 3 1 3 4 5 3 6 4 6 8 有趣的是 与拟南芥中的对 应物一样 兰花中的FT和TFL1同源物以类似拮 抗的方式调节开花 图3 在石斛兰中 DOFT的下调或上调分别延迟或 加速开花 而DOTFL1影响兰花开花的方式则相 反 6 6 且DOFT1和DOTFL1的调控网络在拟南 芥中也相似 例如 过表达