综述 | 福建农林大学兰思仁/刘仲健研究团队综述兰花研究及其产业化进展与展望
兰科是被子植物中最大、种类最丰富的的科之一，共有 5 个亚科约 750属 28000种，全科植物列入《濒危野生动植物种国际贸易公约》（CITES）附录受到保护。作为植物系统演化上高度特化的类群，兰科植物具有极高的物种多样性、高度特化的花结构（合蕊柱、唇瓣、花粉块等）、无胚乳的种子、菌根共生、适应性高度分化（多样化的生活型、生态型和光合途径）、特殊的传粉方式（欺骗性传粉）等特征。自达尔文时代起，兰科植物就吸引了学者们的广泛关注，并被认为是研究植物适应性进化的模式类群。兰科植物亦具有极高的观赏和商业价值，以蝴蝶兰属、石斛属、卡特兰属、兰属为主的鲜切花和盆花品种是全球花卉产业的重要组成部分。此外，有近300种的兰科植物具有药用价值，对其药用有效成分的开发和利用也是兰花产业中重要的一环。随着分子生物学的发展和相关技术的应用，越来越多的兰科植物基因组被破译，兰科植物诸多 “谜团” 得以被深入研究和揭秘，这为揭示兰科植物物种多样性形成、关键创新性状的适应性进化提供重要依据，也为优良品种选育、全产业链可持续发展等提供新的思路和方法。
近日，Horticulture Research 上线了（Advance Access） 福建农林大学兰思仁/刘仲健研究团队题为 Advances and prospects of orchid research and industrialization 的重要综述。该综述系统总结了兰科植物保护生物学、基因组、重要园艺性状功能基因的最新研究进展，并论述了基于现代分子技术的兰花产业化发展及应用前景，为兰科植物保育、基因组进化、分子育种等提供了新的视角。
该综述首先概述了兰科植物保护生物学的重要工作，深入探讨了基于分子时代下，世界兰科植物分类及系统发育研究的历史溯源，分子标记为主的种群遗传学研究对兰科植物保护工作的指导性意义，以及兰科植物欺骗性传粉、菌根共生和景天酸代谢（Crassulacean acid metabolism）的最新研究进展，认为高通量测序技术将成为从分子层面研究兰科植物保育生物学的主流手段。
其次，该综述总结了已报道的16个兰科植物基因组特征，分别概述了其基因组研究的主要关注内容。这些囊括树兰亚科、兰亚科、香荚兰亚科和拟兰亚科的代表物种的测序揭示了包括兰科植物祖先形态发育的基因工具包，关键创新性状形成的调控机理，重要作物的关键成分如石斛碱和香兰素的合成通路，以及真菌异养兰花形态建成和营养获取的分子机制等。兰科植物基因组提供的海量遗传信息为研究兰科植物的物种起源、进化、多样性及功能基因鉴定提供了有力的数据支撑。
图1 基于15个已公开数据兰科植物基因组构建的系统发育树及分化时间
兰科植物多数研究聚焦于花色、花香、花型等重要观赏性状的调控。随着多组学的发展和转基因技术的日益成熟，研究发现MADS-box基因家族在兰花花型的发育中起着至关重要的作用，在蝴蝶兰、文心兰及建兰中分别建立了经典的兰花MADS-box花发育模型。兰花花色形成主要由MYB–basic-helix-loop-helix (bHLH)–WD40 repeat蛋白复合物以及花青素、类胡萝卜素生物合成途径调控，而叶色的变异主要受叶绿素和花青素相关的基因调控。目前已发现的兰花的花香成分主要为萜类和脂肪酸衍生物，但相关验证实验较为缺乏。此外，影响兰花从营养生长到生殖生长转变的一系列抑制或促进基因已被鉴定和功能验证。这些研究为创制新优种质、缩短育种周期、提高市场竞争力提供了扎实的理论基础。
图2 兰花关键园艺性状调控基因
该综述最后讨论了组培技术、转基因及基因编辑技术在兰花育种和规模化生产中所取得的成果，对兰花分子育种未来的发展方向进行了展望。目前，利用农杆菌介导的转化、粒子轰击、CRISPR/Cas9等基因工程技术创造新表型出现空前机遇，调控花色、花型、抗逆、抗胁迫等目标基因被成功转导至一些商业价值较高的兰花中，并建立了初步的转化体系，对提高育种效率有巨大潜力。但大多数转基因兰花转化效率较低，假阳性高，表型是否可遗传至F2、F3代有待进一步研究。借助蓬勃发展的分子生物学技术，未来兰科植物研究将进一步推动兰科植物保护与开发利用的可持续发展。
作者团队介绍
福建农林大学兰科植物保护与利用国家林草局重点实验室主要 从事兰科植物基础理论、应用基础研究和产业化开发。研究成果发表在 Nature 、 Nature Genetics 、 Nature Plants 、 Nature Communications 、 PNAS 、 Horticulture Research 等高水平学术期刊，获国家科技进步二等奖1项，省级科技进步一等奖多项。
团队合影
文章链接：
https://doi.org/10.1093/hr/uhac220
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