近日，我校生命科学学院分子表观遗传学教育部重点实验室与美国爱荷华州立大学合作在植物多倍体基因组进化领域取得重要研究进展。该研究详尽阐述了新形成的籼粳亚种间节段异源四倍体水稻中部分同源染色体间发生大规模重组，从而导致其在仅经历12次有性繁殖世代后快速演化为一系列在基因组组成和表型上均显著分歧的同源四倍体系的过程，暗示自然界中存在从异源多倍体（allopolyploid）向同源多倍体（autopolyploid）快速演化的可能性，对分类学和系统学研究以及新型多倍体作物育种均具有重要启示。相关成果以“Rapid formation of stable autotetraploid rice from genome-doubled F1 hybrids of japonica-indica subspecies”为题，发表在国际著名期刊《自然—植物》（Nature Plants）上。

多倍化或全基因组加倍（whole-genome duplication, WGD）作为驱动物种进化与生物多样性形成的重要机制已被广泛认知，并在作物驯化和遗传改良中发挥关键作用。部分同源交换（Homoeologous Exchange, HE）作为异源多倍体特有的结构变异类型，对基因组稳定性、基因表达调控及表型可塑性都具有深远影响。理论推测，在缺乏强选择压力的情况下，HE驱动的部分同源染色体重组将促使节段异源多倍体快速向同源多倍体方向演化，而使得更为相似的部分同源染色体常会加剧减数分裂紊乱，导致育性下降。然而，上述理论推测均未经实验验证。

研究团队利用水稻（Oryza sativa L.）粳稻亚种（subsp. japonica）cv. Nipponbare和籼稻亚种（subsp. indica）cv. 9311正反交的F1杂交种，经全基因组加倍和基于单粒传代的连续自交11代，构建了包含202个四倍体重组自交系（tetraploid recombinant inbred lines, TRILs，S12）群体，并开展全基因组重测序分析。结果发现，该TRILs群体在有限世代内积累了大量HE事件，导致其从最初的节段性异源四倍体快速演化为基因组高度纯合、表型多样的同源四倍体。进一步分析表明，TRILs群体中籼稻亲本9311的基因组片段保留显著占优势，且在6号染色体上的一个1.7-Mb的基因组区域（Chr6: 7.68–9.385 Mb）中表现出完全保留现象。此外，部分TRILs表现出相对稳定的减数分裂行为与高育性，也表现出高产和耐逆等优良农艺性状。

代表性TRILs和亲本及对照基因型的表型展示

该成果首次利用实验进化学手段验证了HEs可驱动“异源多倍体向同源多倍体的快速演化”现象，该现象的发现对分类学和系统学具有重要启示。同时，本成果也揭示，利用驯化的同属不同种间或亚种间二倍体作物为亲本，通过人工合成多倍体途径有望快速培育出具有重要农业应用价值的新型多倍体作物。

该成果的第一作者为我校生命科学学院博士研究生韩旭、李佳豪和博士后李过，通讯作者为我校生命科学学院吴莹副教授、宫磊教授、刘宝教授以及爱荷华州立大学Jonathan F. Wendel教授。该工作得到了国家重点研发、国家自然科学基金、吉林省重点研发和美国国家科学基金会植物基因组计划等项目的资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41477-025-01966-2