进化生物学家研究植物抗寒专家如何适应环境

像琵鹭这样的植物抗寒专家已经很好地适应了冰河时代的寒冷气候。随着冷热交替，他们发展出了许多物种，也导致了基因组的增殖

来自海德堡大学、诺丁汉大学和布拉格大学的进化生物学家研究了这种基因组复制对植物适应潜力的影响。结果表明，多倍体——具有两组以上染色体的物种——可以积累结构突变，并发出可能的局部适应信号，使它们能够一次又一次地占据生态位

一千万多年前，十字花科的匙草属与其地中海近亲分离。虽然它们的直系后代专门应对干旱胁迫，但匙草或拉丁耳蕨在250万年前冰河时代初征服了寒冷和北极的栖息地。在他们早期的研究中，在马库斯·科赫教授博士的指导下，研究人员研究了耳蜗如何在过去200万年里反复适应快速交替的寒冷和温暖时期

除此之外，新创造的适应寒冷的植物开发了单独的基因库，这些基因库在寒冷地区相互接触。基因的交换产生了具有多组染色体的种群。随着基因组的不断缩小，它们能够一次又一次地占据寒冷的生态位

尽管如此，Koch教授解释说，到目前为止，人们对植物适应环境快速变化的基因组机制和潜力知之甚少

“这甚至更不寻常，因为我们大多数最重要的作物都是多倍体，因此有多套染色体。这一事实是栽培和选择过程中强烈选择的结果，”科赫教授说，他的“生物多样性和植物系统学”研究小组设在海德堡大学生物研究中心

在Levi Yant教授博士的指导下，对高山匙草物种Cochlearia excelsa的二倍体参考基因组进行了测序，并重建了所谓的泛基因组。它将不同的基因组序列连接在一起，因此显示了个体和其他物种之间的遗传变异。为此，分析了具有不同染色体组号的各种耳蜗物种的350多个基因组

英国诺丁汉大学进化基因组学研究员Yant教授解释说：“令人惊讶的是，结果表明，多倍体实际上比二倍体物种更频繁地表现出具有可能局部适应信号的基因组结构变异。”

这些结构突变被额外的基因组拷贝所掩盖，因此在一定程度上免受选择，因为结构变异的积累也可能导致功能丧失。通过他们的模型，国际研究小组进一步证明，多倍体特异性结构变异也出现在可能在未来气候适应中发挥重要作用的基因区域

在布拉格查尔斯大学和捷克科学院进行研究的Filip Kolář博士表示，对基因组数据的详细分析表明，这主要涉及种子发芽或抵抗植物病害的生物过程

然而，正如科赫教授所强调的那样，今天在中欧发现的耳蜗物种最终不太可能在气候变化中幸存下来

他解释说：“尤其是二倍体耳蜗虫不能在奥地利山区更高、更冷的地区进一步迁徙，因为这种匙草已经在一定程度上到达了山顶地区。来自中欧丘陵和山区的比利牛斯匙草也会发现这很难。”

然而，研究人员确实表明，整个基因库，尤其是多倍体感冒专家的基因库，可以存活下来，尤其是在地球北部地区。因此，这些十字花科植物的进化史为植物如何应对未来的气候变化提供了见解

研究结果发表在《自然通讯》杂志上 More information: Tuomas Hämälä et al, Impact of whole-genome duplications on structural variant evolution in Cochlearia, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49679-y

Journal information: Nature Communications