近日，我校園藝學(xué)院葫蘆科作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在國(guó)際知名期刊《The Plant Journal》上發(fā)表了題為“Synthetic allopolyploidy unveils hybridization-driven transcriptional reprogramming underlying thermal adaptation in Cucumis”的研究論文。該研究通過(guò)人工合成的異源多倍體黃瓜（Cucumis xhytivus, Chen et Kirkkbride, 2n=4x=38），清晰揭示了種間雜交而非基因組加倍是異源多倍體的耐熱適應(yīng)性新表型的核心關(guān)鍵。這一發(fā)現(xiàn)為理解多倍體適應(yīng)性?xún)?yōu)勢(shì)的形成，以及應(yīng)對(duì)全球氣候變化、定向培育氣候智能型作物提供了新的理論支撐和育種策略。

隨著全球氣候變暖，高溫脅迫已成為制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素之一。在植物進(jìn)化與遺傳改良中，兩個(gè)不同物種雜交并結(jié)合形成新基因組能產(chǎn)生具有顯著環(huán)境適應(yīng)性?xún)?yōu)勢(shì)的新物種，如小麥、棉花等。然而在異源多倍化過(guò)程中，種間雜交與基因組加倍兩個(gè)環(huán)節(jié)所起的作用和機(jī)理并不清晰。為解決這一難題，研究團(tuán)隊(duì)利用其前期獨(dú)創(chuàng)的人工合成異源四倍體黃瓜新物種及其二倍體雜交種為材料，與親本栽培黃瓜（C. sativus L., 2n=14）和野生酸黃瓜（C. hystrixChakra., 2n=24）進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)比研究。研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是二倍體雜交種還是四倍體新物種，其耐熱性均遠(yuǎn)超它們的親本。在生理層面，它們表現(xiàn)出更高的半致死溫度、更強(qiáng)的光合作用保護(hù)能力和更有效的活性氧清除系統(tǒng)。在分子層面，關(guān)鍵的耐熱基因（如DNA修復(fù)、脅迫響應(yīng)相關(guān)基因）在雜交后即被大量激活，這種轉(zhuǎn)錄組的“重編程”是耐熱性提升的直接原因。而二倍體雜交種和四倍體新物種在耐熱性上表現(xiàn)高度相似，表明耐熱性的核心優(yōu)勢(shì)在雜交這一步已經(jīng)奠定，全基因組加倍的主要作用在于穩(wěn)定和優(yōu)化了這些由雜交帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，并賦予了新物種正常的繁殖能力，而非創(chuàng)造新的耐熱機(jī)制。該研究如同拆解了一個(gè)精密的“進(jìn)化黑箱”，明確了“雜交驅(qū)動(dòng)-加倍穩(wěn)定”的分工模式，為利用異源加倍開(kāi)展高效培育抗高溫、抗逆境作物新品種指明了方向。

圖1異源二倍體、異源四倍體及其親本的熱脅迫生理響應(yīng)

圖2異源二倍體、異源四倍體及其親本的熱脅迫轉(zhuǎn)錄水平響應(yīng)

圖3異源多倍體黃瓜耐熱性形成的示意圖

我校園藝學(xué)院博士研究生、貴州大學(xué)講師裴蕓為該論文第一作者，陳勁楓教授和虞夏清副教授為該論文的通訊作者。江蘇省農(nóng)科院刁衛(wèi)平研究員，貴州大學(xué)張萬(wàn)萍教授、熊彪副教授，丹麥奧胡斯大學(xué)Guillaume P. Ramstein助理教授、Carl-Otto Ottosen教授，我校程春燕講師、趙勤政副教授、李季教授和婁群峰教授參與了此項(xiàng)工作的研究。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、江蘇省自然科學(xué)基金、江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.70507