摘要：异源多倍化（allopolyploidy），即涉及种间杂交和全基因组加倍（WGD）的过程，是植物演化中的重要驱动力，也在作物驯化中扮演了核心角色。我们今天依赖的许多主要农作物，如普通小麦（Triticum aestivum）、油菜、棉花等，都是异源多倍体。多倍

异源多倍化（allopolyploidy），即涉及种间杂交和全基因组加倍（WGD）的过程，是植物演化中的重要驱动力，也在作物驯化中扮演了核心角色。我们今天依赖的许多主要农作物，如普通小麦（Triticum aestivum）、油菜、棉花等，都是异源多倍体。多倍化通过合并不同物种的基因组，可以产生新的遗传变异和表型新颖性，但也面临着维持基因组稳定性的挑战，尤其是在减数分裂过程中如何确保同源染色体精确配对、避免非同源（同源异源，homoeologous）染色体之间的错误配对。

在小麦中，一个被称为Ph1（Pairing homoeologous 1）的关键基因座（位于5B染色体长臂，核心基因为Zip4-5B）被证明能够有效抑制同源异源染色体的配对，从而确保了普通六倍体小麦（BBAADD）和四倍体硬粒小麦（BBAA）的二倍体化稳定遗传。然而，小麦属还存在另一支独立的、较少被农业利用的多倍体系列，包括四倍体的提莫非维小麦（T. timopheevii, GGAA）和六倍体的茹考夫斯基小麦（T. zhukovskyi, GGAAAmAm）。一个长期悬而未决的问题是，来自T. timopheevii的Ph1同源基因（推测为Zip4-5G）在新的六倍体遗传背景下（例如，当引入一个全新的D基因组时）是否仍然能够像普通小麦中的Ph1 (Zip4-5B) 一样有效地维持严格的同源配对？

此外，T. timopheevii携带许多优良基因，如对多种病害的抗性基因，而其近缘二倍体亲本山羊草（Aegilops tauschii, DD）则是普通小麦D基因组的供体，蕴藏着丰富的抗逆（如抗旱）和品质相关基因。将这两个物种的优良基因导入普通小麦是育种的重要目标。直接杂交面临生殖隔离和染色体操作复杂的障碍。人工合成一个包含G、A、D三个亚基因组的新型六倍体小麦，可能为一次性桥接导入这两个物种的有利变异提供新的途径。早在20世纪中期，著名细胞遗传学家木原均（Hitoshi Kihara）等人就曾初步尝试创制此类六倍体，并将其命名为Triticum kiharae以纪念木原均博士，但对其详细特性，特别是减数分裂稳定性和育种应用潜力，缺乏深入研究。

东北师范大学分子表观遗传学教育部重点实验室的刘宝教授和吕睿丽博士（大连理工大学）团队与Tariq Aslam及Tianying Zhang（共同第一作者）等合作，在《The Crop Journal》上在线发表了题为“Production, characterization, and potential utility of a newly synthesized allohexaploid wheat Triticum kiharae”的研究论文。该研究通过将四倍体提莫非维小麦（Triticum timopheevii, GGAA）与二倍体山羊草（Aegilops tauschii, DD）杂交，并利用秋水仙素诱导染色体加倍，成功合成了新型异源六倍体小麦Triticum kiharae（GGAADD）。通过详细的形态学、细胞遗传学（FISH和GISH）、转录组学分析，研究团队系统表征了这一新物种的特性。结果显示，新生的T. kiharae在早期自交后代中表现出显著的减数分裂不稳定性，包括染色体数目变异（NCVs，非整倍性）和结构变异（SCVs，主要是同源异源染色体易位），推测其从T. timopheevii遗传的Ph1基因（很可能是Zip4-5G）在六倍体背景下功能减弱（hypofunctional）。异源多倍化事件也引发了剧烈的转录组重塑（“转录组休克”），包括同源基因表达偏向和非加性表达。尽管存在不稳定性，研究发现T. kiharae与普通六倍体小麦杂交产生的F1代虽然雄性不育，但雌性可育，能够成功进行回交。这一关键发现证实了利用T. kiharae作为桥梁，将T. timopheevii和Ae. tauschii两个物种的优良遗传变异以及多倍化过程中产生的de novo变异同时导入普通小麦的可行性，为小麦遗传改良开辟了新途径。

主要研究结果介绍

1. 新型六倍体小麦T. kiharae (GGAADD)的成功合成与鉴定

研究人员以四倍体T. timopheevii (GGAA)为母本，二倍体Ae. tauschii (DD)为父本进行杂交，获得三倍体F1代杂种(GAD)。通过秋水仙素处理F1幼苗诱导染色体加倍，成功获得了5株S0代异源六倍体植株。利用荧光原位杂交（FISH）和基因组原位杂交（GISH）技术，确认了这些S0植株及其亲本的染色体组成。所有S0植株均为整倍体，核型为2n = 6x = 42，包含了来自两个亲本的完整染色体组（GGAADD）（图1）。S0代自交获得了39粒S1种子。S1代植株的形态总体上与母本T. timopheevii相似，但叶片数较少。其穗部形态则介于两亲本之间：穗非脆裂，易脱粒（类似T. timopheevii），但保留了部分Ae. tauschii特有的坚硬颖壳（图1）。这些形态学和细胞遗传学证据确凿地证明了新型异源六倍体小麦T. kiharae的成功创制。

2. T. kiharae自交后代存在显著的染色体数目和结构变异

为了评估新生六倍体的基因组稳定性，研究团队对S1代自交产生的S2代群体（共300株，来自5个S1家系，包括3个整倍体、1个3D单体和1个3D缺体）进行了详细的核型分析。结果显示，S2代中存在普遍的染色体数目变异（NCVs，即非整倍性）和结构变异（SCVs，主要是同源异源染色体间的末端易位）（图2A, C）。在所有5个S2群体中，只有Group I（继承亲本核型）比例最高，但也仅占一部分（图2B）。NCVs比SCVs更常见。NCVs主要表现为染色体丢失而非获得，且丢失往往只涉及单个染色体（图2D）。不同染色体参与NCV和SCV的频率存在显著差异，例如1G, 6G, 1A, 5A, 6A染色体更容易丢失（形成单价体）（图3E），而7D染色体发生SCV的频率最高（图2F）。有趣的是，纯合丢失3D染色体的S1亲本（N3D）产生的S2后代中，NCVs和SCVs的发生率远高于其他群体（图2B），表明特定染色体对的缺失会严重干扰剩余染色体的正常分离。总体而言，这些结果表明新生T. kiharae存在显著的减数分裂不稳定性。

3. T. kiharae的减数分裂不规则性可能源于Ph1基因功能减弱

为了探究染色体变异的来源，研究人员直接观察了8株S2代整倍体植株花粉母细胞（PMCs）的减数分裂中期I（MI）染色体行为。结果发现，虽然有约55%的PMCs表现出正常的二倍体化配对（形成21个同源二价体）（图3A, D），但仍有高达45%的PMCs出现异常，主要是形成单价体（univalents）（图3B, D）。少数PMCs还观察到异形二价体（heteromorphic bivalents）和多价体（trivalents/quadrivalents）（图3C, D），这些异常配对均发生在同源异源染色体之间。形成单价体频率最高的染色体（1G, 6G, 1A, 5A, 6A）（图3E）与后代中丢失频率最高的染色体高度一致（图2D），证实了MI期单价体的形成是导致后代非整倍性的主要原因。同源异源染色体间的异常配对（异形二价体、多价体、易位）则强烈暗示了T. kiharae中抑制同源异源配对的机制（即Ph1系统）功能不全或减弱。研究者推测，从T. timopheevii继承的Zip4-5G基因（Ph1的核心）在六倍体（GGAADD）背景下功能不如普通小麦中的Zip4-5B（在BBAADD背景下）有效。序列比对发现TtZip4-5G与Ta/TdZip4-5B之间存在11个SNPs，其中6个是非同义突变，可能影响了蛋白功能域和三维结构，支持了Ph1功能差异的假说（图S2）。

4. 异源多倍化在T. kiharae中诱导显著的转录组重塑

研究人员通过RNA-seq比较了T. kiharae（S2代叶片和根）与其二倍体和四倍体亲本的基因表达模式，重点分析了在三个亚基因组（G, A, D）中均有单拷贝同源基因的“三联体基因”（triad genes, 共20,247个）。结果显示，在T. kiharae中，大部分三联体基因（叶中51.1%，根中61.6%）表现出三个同源拷贝之间的平衡表达（G≈A≈D），但这一比例低于普通小麦（约76-79%），意味着T. kiharae中同源基因表达的不平衡现象更为普遍（图4A, B, D, E；表S4）。与普通小麦类似，新引入的D亚基因组的基因表达与其他两个亚基因组（G和A，共同经历了四倍体阶段的共进化）的协调性较差，但并未出现某个亚基因组的整体表达显性。对比T. kiharae与亲本人工混合（in silico）的转录组，发现了大量差异表达基因（DEGs）（叶中占5.8%，根中占3.2%），且下调表达的DEGs多于上调的（表S5），这被称为“转录组休克”。DEGs在染色体上的分布不均匀，更集中于基因丰富、重组活跃的端部区域（图4H, I），并且在D亚基因组中显著富集（图4J, K）。GO富集分析表明，不同亚基因组来源的DEGs参与的生物学功能存在差异（图S3）。这些结果表明，T. kiharae的形成伴随着剧烈的转录组重塑，涉及广泛的基因表达水平改变和潜在的功能分化。

5. T. kiharae的表型特征及染色体变异的影响

T. kiharae的形态介于两亲本之间，但也表现出一些独特的“超亲（transgressive）”性状（如旗叶宽、穗长、粒长、百粒重均大于双亲）（图5A）。染色体变异对表型有显著影响：NCVs（非整倍性）通常导致多数性状值下降；SCVs（结构变异）单独存在时影响较小；而缺失一对3D染色体（N3D）则对几乎所有性状都产生严重的负面影响。

6. T. kiharae作为小麦遗传改良桥梁的可行性

尽管T. kiharae与普通小麦（BBAADD）存在生殖隔离（F1代雄性不育），但由于其F1代雌性可育，可以通过将其作为母本与普通小麦进行回交。研究成功获得了BC1F1代植株，虽然育性很低（平均结实率7.3%），但证明了回交的可行性（图6A）。细胞学分析在BC1F1植株中检测到了G亚基因组和B亚基因组染色体之间的同源异源易位（图6C），证实了基因交流是可能发生的。因此，T. kiharae可以作为一个独特的中间材料，将来自T. timopheevii (G基因组) 和 Ae. tauschii (D基因组) 的优良基因以及多倍化过程中产生的de novo变异，通过回交和分子标记辅助选择，同时导入到普通小麦的基因组中，有望极大地拓宽小麦的遗传基础。

全文总结与展望

本研究成功创制并系统表征了一种新型异源六倍体小麦Triticum kiharae (GGAADD)。研究揭示了其在形成初期（S0-S2代）具有显著的遗传不稳定性，表现为高频率的非整倍性和同源异源染色体易位，这很可能源于从四倍体亲本T. timopheevii继承的Ph1基因（Zip4-5G）在新的六倍体基因组背景下功能减弱。同时，异源多倍化事件也诱发了强烈的“转录组休克”，导致大量基因的表达模式发生改变，并可能促使不同亚基因组间的初步功能分化。

尽管存在遗传不稳定性，T. kiharae展现出独特的形态特征，部分性状甚至超越了亲本。更重要的是，研究证实了T. kiharae虽然与普通小麦存在杂交不育（F1雄性不育），但其F1代雌性配子可育，能够成功进行回交，并且在回交后代中观察到了G和B亚基因组间的重组。这一发现具有重要的育种应用价值，它为同时、高效地将两个重要近缘物种（T. timopheevii和Ae. tauschii）所携带的抗病、抗逆、高营养品质等优良基因资源，以及伴随多倍化产生的de novo遗传变异，一并导入普通小麦的遗传背景中提供了一条全新的、可行的途径。这有望克服传统远缘杂交育种周期长、效率低、连锁累赘难以打破等瓶颈，为应对日益严峻的粮食安全挑战、培育突破性小麦新品种开辟了广阔前景。

未来的研究可以集中在：（1）通过基因编辑等手段修复或增强T. kiharae中的Ph1功能，以提高其减数分裂稳定性；（2）优化回交和选择策略，提高与普通小麦杂交后代的育性，加速优良基因的导入和纯化；（3）深入挖掘T. kiharae中独特的基因表达模式和de novo变异，寻找具有潜在应用价值的新基因或等位基因；（4）评估T. kiharae自身的农艺潜能，例如作为一种具有特殊适应性的饲料作物。

研究团队与资助

该研究由东北师范大学分子表观遗传学教育部重点实验室的刘宝教授（通讯作者）和吕睿丽教授博士（通讯作者）领导完成。Tariq Aslam和Tianying Zhang为共同第一作者。

该研究得到了国家自然科学基金（31991211，授予Bao Liu）和中国博士后科学基金（2024M760322，授予Ruili Lyu）的资助。

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来源：新浪财经