在全球氣候變暖和干旱化加劇的背景下，理解植物如何適應(yīng)極端生境已成為生物多樣性與進(jìn)化生物學(xué)研究的重要前沿問題。肉質(zhì)化是植物應(yīng)對干旱的關(guān)鍵創(chuàng)新性狀之一，在不同植物類群中多次獨(dú)立出現(xiàn)，但對于肉質(zhì)化形成的遺傳基礎(chǔ)及環(huán)境驅(qū)動(dòng)機(jī)制，長期以來仍缺乏系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。葡萄科葡萄甕屬（Cyphostemma）約有200種，廣泛分布于撒哈拉以南非洲及馬達(dá)加斯加地區(qū)，生境涵蓋熱帶雨林、稀樹草原、石灰?guī)r山地乃至沙漠等環(huán)境。該屬同時(shí)包含非肉質(zhì)和高度肉質(zhì)化的物種，且肉質(zhì)化程度與生境干旱化水平密切相關(guān)，為研究植物耐旱適應(yīng)性與肉質(zhì)化演化提供了理想模型。

基于全球范圍內(nèi)的廣泛采樣，中國科學(xué)院植物研究所植物大數(shù)據(jù)與生物多樣性保護(hù)研究團(tuán)隊(duì)整合基因組學(xué)、生態(tài)學(xué)和形態(tài)學(xué)等多維證據(jù)，解析了葡萄甕屬植物適應(yīng)干旱環(huán)境的遺傳基礎(chǔ)與生態(tài)機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)首先構(gòu)建了葡萄甕屬的高分辨率系統(tǒng)發(fā)生框架，并重建了其生物地理歷史。結(jié)果顯示，葡萄甕屬四大主要支系在始新世完成快速分化，隨著漸新世全球氣候變冷、干旱程度加劇，肉質(zhì)化耐旱類群在不同支系中集中出現(xiàn)。

在此基礎(chǔ)上，研究人員分別選取了生活在濕潤與極端干旱生境的兩種葡萄甕屬代表植物，分布于亞洲雨林的攀援藤本植物德宏葡萄甕（C. dehongense）和生長于非洲納米布沙漠的肉質(zhì)灌木柯氏葡萄甕（C. currorii），完成了高質(zhì)量染色體水平基因組組裝和比較分析。研究發(fā)現(xiàn)，長末端重復(fù)逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子（long terminal repeat retrotransposons，LTR-RT）在葡萄甕屬輻射演化過程中發(fā)生了顯著擴(kuò)增。其中，部分具有內(nèi)含子插入偏好的LTR-RT譜系（以Ale家族為主）顯著促進(jìn)了內(nèi)含子擴(kuò)張，使葡萄科尤其是葡萄甕屬物種中超長內(nèi)含子的比例顯著高于其他超薔薇類植物。

進(jìn)一步分析表明，富集于內(nèi)含子的LTR-RT元件具有較高的更新速率，能夠持續(xù)為基因組提供新的遺傳變異，并可能通過影響DNA修復(fù)和細(xì)胞周期調(diào)控相關(guān)基因的功能，促進(jìn)肉質(zhì)化性狀的形成。值得注意的是，這些內(nèi)含子偏好型LTR-RT譜系的快速分化與葡萄甕屬進(jìn)入干旱生境并發(fā)生適應(yīng)性進(jìn)化的時(shí)間高度吻合，提示其可能與創(chuàng)新性狀的形成密切相關(guān)。結(jié)合環(huán)境因子和基因組大小數(shù)據(jù)，研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，基因間區(qū)的LTR-RT擴(kuò)增推動(dòng)了肉質(zhì)化葡萄甕屬物種基因組的整體擴(kuò)張，這與干旱和季節(jié)性生境顯著相關(guān)。

本研究從宏觀進(jìn)化與基因組動(dòng)態(tài)相結(jié)合的視角，揭示了葡萄甕屬演化過程中基因組LTR-RT活動(dòng)與環(huán)境變化之間的協(xié)同作用。其中，LTR-RT元件的隨機(jī)活動(dòng)可能通過增強(qiáng)基因組可進(jìn)化性（evolvability），為肉質(zhì)化等關(guān)鍵創(chuàng)新性狀的演化提供遺傳基礎(chǔ)。該研究深化了我們對植物干旱適應(yīng)機(jī)制的認(rèn)識(shí)，并為理解全球氣候變化背景下植物的適應(yīng)性演化提供了新見解。

相關(guān)研究成果于6月8日在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications。植物所博士研究生虞近人為論文第一作者，魯麗敏研究員為通訊作者。植物所陳之端研究員、董陽研究員、李朝斌研究員、特別研究助理程劼、Romer Narindra Rabarijaona博士，英國皇家植物園邱園Ilia J. Leitch教授、Alexandre Antonelli教授，澳大利亞悉尼皇家植物園Russell Barrett教授，塔那那利佛大學(xué)Rindra Manasoa Ranaivoson博士參與了該項(xiàng)工作。本研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院國際人才計(jì)劃等項(xiàng)目資助。

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https://doi.org/10.1038/s41467-026-74005-z

研究使用的葡萄甕屬代表物種。左為德宏隆花藤（C. dehongense），右為柯氏葡萄甕（C. currorii）。圖片版權(quán)：魯麗敏、Patemoshela Kashikola

葡萄甕屬物種基因組大小演化模式及基因組重復(fù)序列組成

柯氏葡萄甕中，LTR-RT元件插入內(nèi)含子導(dǎo)致的基因表達(dá)和功能變化