植物多倍化：起源、进化及对于作物驯化的影响

来源：植物科学最前沿

基因组多倍化是指某物种通过染色体倍增的方式导致多套染色体共存于同一细胞核中，形成稳定遗传的新物种的现象。多倍体可大致分为两类，即古多倍体和新多倍体。古多倍体指祖先物种在经历多倍化后，通过基因丢失和重排等方式重新二倍化，形成含有多套亚基因组的二倍体；新多倍体指新形成的、仍保持多倍体形式的物种。多倍体不仅广泛存在于高等植物与硅藻中，还存在于诸多动物如蛙、鱼、昆虫和哺乳动物中。随着测序技术的飞速发展，越来越多的多倍化事件被鉴定出来，基因组多倍化已成为植物学研究领域中的热点。

植物基因组多倍化之所以重要，是因为它广泛参与了植物物种分化、基因功能变异与作物驯化等多个重要的生物学过程。那么，它是如何发生并如何参与植物基因组进化的？

Hoticultural Plant Journal 已在线发表了中国农业科学院蔬菜花卉研究所生物信息课题组的题为“Plant polyploidy：origin, evolution, and its influence on crop domestication”研究论文，刊登在该刊2019年12月的“园艺植物基因组学进展专辑”中。

论文对于植物多倍化的起源、亚基因组进化、多拷贝基因功能变异以及对于作物驯化的影响等做了系统性的总结，并对于该领域的未来研究趋势做了展望。

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许多独立的植物多倍化事件的发生都与历史上的极端气候变化事件或自然灾害发生时期密切相关。这些灾难性事件虽然导致了大规模的物种灭绝，但某些植物可能在水下或者地下通过长期的无性繁殖躲避灾害，得以生存下来。这种无性繁殖过程促进了多倍体的产生。

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在植物多倍化后的进化中出现了亚基因组优势的特殊现象，即一个亚基因组在多倍化基因组中占据优势地位，多体现为有偏向性的基因表达和基因丢失。目前的研究发现，这种优势可能与转座子的甲基化相关。

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在近乎所有古多倍体中都发现，物种多倍化后随之而来的是大量的基因丢失。为解释多倍化产生的多拷贝基因的进化机制，研究人员提出了诸如基因的亚功能化、新功能化等假说，但不同的假说往往只适用于不同的情况。

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多倍化显著影响了物种多样化。多倍化带来的多拷贝基因具有更强的遗传可塑性，该特征与亚基因组层面的协同进化一同影响了作物驯化以及重要农艺性状的培育。

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亚基因组间的互作、亚基因组优势的形成调控机制、基于多倍体的作物育种等可能是未来植物多倍体研究的重点方向。

Fig. 1  Life cycles of plants experiencing recurrent polyploidization and re-diploidization events

Fig. 2  Hypotheses that explain the divergence of multi-copy genes following polyploidization

植物多倍化事件的广泛存在以及其在植物进化中扮演的重要角色，使其备受研究人员的关注。该论文对于植物多倍化研究进展的系统梳理和展望，有利于研究人员加深对于植物多倍化的理解，进而有助于推动多倍化在未来作物育种研究中的应用。

中国农业科学院蔬菜花卉研究所助理研究员张亢为该论文的第一作者，程锋研究员为该文的通讯作者，王晓武研究员参与了本研究。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.hpj.2019.11.003