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多倍化被學(xué)界認(rèn)為是推動被子植物演化成功的重要驅(qū)動力，其現(xiàn)象廣泛存在于被子植物各個譜系中。多倍性與生物體適應(yīng)性、物種形成、分化及輻射相關(guān)，是關(guān)鍵性狀創(chuàng)新的重要來源。然而，新形成的多倍體相較于其二倍體近緣種，通常表現(xiàn)出更高的滅絕率與更低的物種形成率。長期以來，這一矛盾現(xiàn)象引發(fā)了學(xué)界對多倍體演化意義的爭論。近日，中國科學(xué)院昆明植物研究所研究員馬永鵬團(tuán)隊(duì)聯(lián)合武漢植物園研究員李大衛(wèi)、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所研究員葛曉陽、美國愛荷華州立大學(xué)教授Jonathan F. Wendel、捷克馬薩里克大學(xué)教授Martin A. Lysak，以錦葵科為模式系統(tǒng)，深入解析了多倍化和之后二倍化過程在被子植物演化中的重要作用，有效解釋了多倍體在演化過程中存在的矛盾。研究人員集齊了錦葵科9個亞科代表性物種的基因組數(shù)據(jù)，包括新組裝的海南椴（國家二級保護(hù)植物，杯萼椴亞科）、景東翅子樹（國家二級保護(hù)植物，非洲芙蓉亞科）、滇桐（國家二級保護(hù)植物，椴亞科）及梭羅樹（山芝麻亞科）四個亞科的基因組，并綜合運(yùn)用團(tuán)隊(duì)前期開發(fā)的直系同源共線性檢測工具和亞基因組分型方法、染色體核型演化推斷及系統(tǒng)發(fā)育基因組學(xué)等多種方法，系統(tǒng)解析了錦葵科復(fù)雜的網(wǎng)狀異源多倍體演化歷史。研究表明，錦葵科早期復(fù)雜的網(wǎng)狀異源多倍化過程快速產(chǎn)生了至少5個倍性不同的古老多倍體譜系。其中，Malvadendrina分支的7個亞科均經(jīng)歷1至2次古多倍化事件。因此，多倍體成種在Malvadendrina分支早期分化中具有重要作用。同時，研究人員通過重建祖先核型追蹤錦葵科祖先多倍化和隨后二倍化的演化過程發(fā)現(xiàn)，各亞科染色體二倍化主要由染色體端到端融合機(jī)制介導(dǎo)。在古十倍體雷德蒙氏棉花基因組進(jìn)化過程中，發(fā)生了超30次譜系特異的端到端融合事件，且染色體數(shù)量從祖先的n=53直降到n=13。進(jìn)一步，研究發(fā)現(xiàn)，Malvadendrina分支所有亞科均為約6000萬年前形成的古多倍體，但各亞科物種多樣性存在明顯差異，且與古多倍性不相關(guān)。其中，大多數(shù)亞科的種屬數(shù)量低于同期未發(fā)生過古多倍化的兩個基部亞科。而以棉花為代表的錦葵亞科表現(xiàn)出最高的二倍化程度，即相較于其他古多倍體亞科，其融合的染色體數(shù)量和丟失的共線性基因數(shù)目斷崖式領(lǐng)先，并明顯高于與其共享古十倍化的木棉亞科，且錦葵亞科在所有亞科中擁有最多的種屬數(shù)量。因此，研究推測二倍化或?qū)ξ锓N多樣性形成具有重要作用。為檢驗(yàn)這一假說，研究人員創(chuàng)建了在染色體水平評估二倍化程度的指數(shù)——異倍化率，并結(jié)合在基因水平評估二倍化程度的指數(shù)——基因丟失率以及錦葵科古多倍體亞科數(shù)據(jù)集，對二倍化程度與亞科的物種多樣性關(guān)系進(jìn)行了深入分析。結(jié)果顯示，染色體水平的二倍化程度與亞科的物種多樣性呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)0.9以上。同時，基因水平的二倍化程度與物種多樣性之間的相關(guān)性在屬水平上也得到一定支持（R2= 0.44），這使古多倍體多樣化與二倍化相關(guān)的假說得到了驗(yàn)證。該假說可調(diào)和多倍體演化意義的矛盾，即多倍化是一把雙刃劍，其減數(shù)分裂紊亂等有害方面通常是致命的，因而多倍體只有在一定程度上完成二倍化進(jìn)程才能消除有害方面、擴(kuò)大有利方面，最終實(shí)現(xiàn)演化成功。因此，新多倍體經(jīng)常失敗，而完成了二倍化的古多倍體則較為成功，這也解釋了為何被子植物的古多倍體譜系通常在多倍體形成一段時間后開始多樣化。該研究解析了錦葵科復(fù)雜的古多倍化及二倍化演化歷史，并發(fā)現(xiàn)了支持二倍化與古多倍體演化成功之間的關(guān)聯(lián)證據(jù)，為理解植物多樣性起源與演化提供了新的視角。相關(guān)研究成果以Reticulate allopolyploidy and subsequent dysploidy drive evolution and diversification in the cotton family為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、科學(xué)技術(shù)部等的支持。論文鏈接錦葵科基因組復(fù)雜的網(wǎng)狀多倍化及二倍化演化歷史重建錦葵科古多倍體的二倍化模式及其與物種多樣性的關(guān)系