近日，我校生命科學學院分子表觀遺傳學教育部重點實驗室與美國愛荷華州立大學合作在植物多倍體基因組進化領域取得重要研究進展。該研究詳盡闡述了新形成的秈粳亞種間節段異源四倍體水稻中部分同源染色體間發生大規模重組，從而導致其在僅經歷12次有性繁殖世代后快速演化為一系列在基因組組成和表型上均顯著分歧的同源四倍體系的過程，暗示自然界中存在從異源多倍體（allopolyploid）向同源多倍體（autopolyploid）快速演化的可能性，對分類學和系統學研究以及新型多倍體作物育種均具有重要啟示。相關成果以“Rapid formation of stable autotetraploid rice from genome-doubled F1 hybrids of japonica-indica subspecies”為題，發表在國際著名期刊《自然—植物》（Nature Plants）上。
多倍化或全基因組加倍（whole-genome duplication, WGD）作為驅動物種進化與生物多樣性形成的重要機制已被廣泛認知，并在作物馴化和遺傳改良中發揮關鍵作用。部分同源交換（Homoeologous Exchange, HE）作為異源多倍體特有的結構變異類型，對基因組穩定性、基因表達調控及表型可塑性都具有深遠影響。理論推測，在缺乏強選擇壓力的情況下，HE驅動的部分同源染色體重組將促使節段異源多倍體快速向同源多倍體方向演化，而使得更為相似的部分同源染色體常會加劇減數分裂紊亂，導致育性下降。然而，上述理論推測均未經實驗驗證。
研究團隊利用水稻（Oryza sativa L.）粳稻亞種（subsp. japonica）cv. Nipponbare和秈稻亞種（subsp. indica）cv. 9311正反交的F1雜交種，經全基因組加倍和基于單粒傳代的連續自交11代，構建了包含202個四倍體重組自交系（tetraploid recombinant inbred lines, TRILs，S12）群體，并開展全基因組重測序分析。結果發現，該TRILs群體在有限世代內積累了大量HE事件，導致其從最初的節段性異源四倍體快速演化為基因組高度純合、表型多樣的同源四倍體。進一步分析表明，TRILs群體中秈稻親本9311的基因組片段保留顯著占優勢，且在6號染色體上的一個1.7-Mb的基因組區域（Chr6: 7.68–9.385 Mb）中表現出完全保留現象。此外，部分TRILs表現出相對穩定的減數分裂行為與高育性，也表現出高產和耐逆等優良農藝性狀。
代表性TRILs和親本及對照基因型的表型展示
該成果首次利用實驗進化學手段驗證了HEs可驅動“異源多倍體向同源多倍體的快速演化”現象，該現象的發現對分類學和系統學具有重要啟示。同時，本成果也揭示，利用馴化的同屬不同種間或亞種間二倍體作物為親本，通過人工合成多倍體途徑有望快速培育出具有重要農業應用價值的新型多倍體作物。
該成果的第一作者為我校生命科學學院博士研究生韓旭、李佳豪和博士后李過，通訊作者為我校生命科學學院吳瑩副教授、宮磊教授、劉寶教授以及愛荷華州立大學Jonathan F. Wendel教授。該工作得到了國家重點研發、國家自然科學基金、吉林省重點研發和美國國家科學基金會植物基因組計劃等項目的資助。
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