华中农业大学教授、国家优青第一兼通讯作者发表《PNAS》破译多倍体基因组进化密码,提出气候韧性作物育种策略

近日，《美国国家科学院院刊》（PNAS）在线发表了华中农业大学棉花团队与美国爱荷华州立大学Jonathan F. Wendel教授合作撰写的综述论文“Harnessing polyploidy for climate-resilient crops: Lessons from the evolutionary model, allotetraploid cotton”。该论文以异源四倍体棉花为材料，总结了多倍化驱动植物适应极端环境的核心机制，阐明了基因组融合、调控重塑与胁迫适应协同演化的规律，并提出了基于多倍体演化优势培育气候韧性作物的育种策略。

多倍化是植物演化与物种形成的核心驱动力，通过全基因组加倍赋予物种显著的遗传冗余性与环境适应潜力。异源四倍体棉花作为自然演化与人工驯化的成功范例，为解析多倍体基因组的进化优势及环境适应性机制提供了理想模型。当前，全球气候变化导致的极端环境胁迫对粮食安全构成严峻挑战。深入解析多倍体植物的抗逆遗传机制，充分挖掘其遗传资源与调控可塑性，进而培育气候韧性、高产稳产的作物新品种，已成为现代作物育种的紧迫任务。

作者系统回顾了异源四倍体陆地棉（Gossypium hirsutum）和海岛棉（G. barbadense）的演化历史，阐明二者均由A亚基因组与D亚基因组在约100–160万年前融合而成。此后，陆地棉与海岛棉在不同地域经历了独立驯化与强烈的人工选择，最终形成全球广泛种植的两大栽培棉种。文章进一步指出，棉花基因组已从早期基于短读长测序组装的草图，跃升至现今基于长读长测序组装的端粒到端粒（T2T）无缺口基因组。高质量基因组数据揭示，亚基因组融合与驯化并非简单的效应叠加，而是引发了剧烈的基因组重塑。为缓冲两个差异显著的亚基因组融合所导致的“基因组冲击”，棉花通过转座子扩增、结构变异及基因丢失等机制恢复了遗传稳定性。这种历经百万年自然选择锤炼的基因组弹性，为棉花应对全球气候变化提供了丰富的遗传变异储备。

文章深入探讨了异源多倍化后的转录调控网络重塑机制，强调基因组加倍驱动顺式调控元件（cis-regulatory elements）与反式作用因子（trans-acting factors）协同演化，构成多倍体环境适应与抗性形成的分子基础。在应对干旱、高温等胁迫时，异源多倍体棉花展现出了广泛的同源基因表达偏向（Homoeolog Expression Bias, HEB），还建立了表达水平优势（Expression Level Dominance, ELD）等非加性的基因表达模式。这种双亚基因组互作产生的调控复杂性，依托基因组冗余性推动同源基因发生亚功能化与新功能化，进而整合转录调控、信号转导与表观遗传等多层级通路，构建起高效的抗逆调控网络，为拓展作物抗逆表型空间奠定了遗传基础（图1）。

图1. 非生物胁迫引发的多层次响应机制及纤维发育各阶段的关键分子机理

基于对多倍体基因组结构复杂性与进化可塑性的深刻认识，文章进一步提出了利用多倍体优势培育气候韧性作物的育种策略。研究认为，应对复杂的气候挑战，育种范式需从传统的单一抗逆基因挖掘，转向对全基因组协同调控网络的深度解析与利用。文章建议构建同源基因功能图谱，并整合泛基因组学与单细胞空间多组学，以解析特定细胞类型中亚基因组的差异化响应机制。在此基础上，特别强调了人工智能（AI）模型在解析多倍体复杂性中的关键作用：利用Transformer等先进架构整合多组学数据，不仅能精准预测非加性的基因型-表型关系，还能指导合成生物学设计，通过同源基因特异性编辑或野生种质资源的从头驯化，精准重塑亚基因组间的互作平衡，加速培育出集高产、优质与广谱抗逆于一体的未来棉花新品种（图2）。

图2. 利用多倍体优势培育气候韧性棉花的综合策略

总之，该文不仅系统阐释了多倍体通过基因组融合、调控网络重塑及非加性表达模式等获得环境适应性的演化规律，更将这一理论框架转化为可操作的育种策略，即通过挖掘亚基因组互作产生的遗传弹性与调控可塑性，培育气候韧性多倍体作物新品种。这一工作为解析多倍体植物环境适应的遗传密码提供了整合性视角，也为棉花及小麦、油菜等重要多倍体作物的种质创新与分子设计育种提出了方向性指引。

华中农业大学王茂军教授和美国爱荷华州立大学Jonathan F. Wendel教授为该论文的共同通讯作者，王茂军教授和博士生王瑞鹏为论文的共同第一作者。华中农业大学张献龙院士、中国农科院农业基因组研究所胡冠菁研究员参与了该项研究。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目资助。

据悉，该论文收录在“多倍化与胁迫”（Polyploidy and Stress）这一专题特辑。该专题包括5篇研究论文和4篇前瞻综述，探讨了基因组加倍（一种广泛存在却长期被低估的生命现象）如何从分子到生态各个层面影响生物体对环境胁迫和生理胁迫的响应。这些文章整合了分子、细胞、个体和生态等多维度的研究视角，揭示了多倍化如何影响从基因调控、发育过程到疾病发生和农业应用的广泛生物学过程。通过汇聚跨学科的研究方法，本合集凸显了多倍化研究在理解生物多样性和支撑生物经济方面的关键方向与应用前景。

论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2522073123

“多倍化与胁迫”专题特辑链接：https://www.pnas.org/topic/586

阅读相关：