进化生物学家研究植物抗寒能力如何适应环境

像匙叶草这样的耐寒植物已经很好地适应了冰河时代的寒冷气候。随着寒冷和温暖时期的交替，它们进化出了许多物种，也导致了基因组的激增。

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重复对植物适应潜力的影响。研究结果表明，多倍体（具有两组以上染色体的物种）可以积累结构突变，这些突变可能为局部适应提供信号，使它们能够一次又一次地占据生态位。

十字花科的匙叶草属植物在一千万多年前就与其地中海近亲分离了。虽然它们的直系后代专门应对干旱压力，但匙叶草，或拉丁语 Cochlearia，在 250 万年前的冰河时代初期征服了寒冷和北极的栖息地。在早期的研究中，Marcus Koch 教授指导的研究人员调查了 Cochlearia 在过去两百万年中如何反复适应快速交替的冷暖期。

除此之外，新产生的耐寒植物形成了独立的基因库，这些基因库在寒冷地区相互接触。基因交换产生了具有多组染色体的种群。随着基因组的大小不断减小，它们能够一次又一次地占据寒冷的生态位。

尽管如此，科赫教授解释说，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的了解还很少。

“这更加不同寻常，因为我们最重要的农作物大多数都是多倍体，因此有多组染色体。这一事实正是种植过程中强力选择的结果，“科赫教授说道，他的“生物多样性和植物系统学”研究小组位于海德堡大学有机体研究中心。”

在 Levi Yant 教授的指导下，这项研究对高山匙叶草属植物 Cochlearia excelsa 的具有两组染色体的二倍体参考基因组进行了测序，并重建了所谓的全基因组。它将不同的基因组序列连接在一起，从而显示了个体和其他物种之间的遗传变异。为此，分析了 350 多个具有不同染色体组数的各种 Cochlearia 物种的基因组。

“令人惊讶的是，研究结果表明，多倍体实际上比二倍体物种更频繁地表现出基因组结构变异，并发出可能存在局部适应的信号，”英国诺丁汉大学进化基因组学研究员 Yant 教授解释道。

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会导致功能丧失。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。

基因组数据的详细分析表明，这主要涉及种子发芽或抗性的生物过程据布拉格查理大学和捷克科学院研究人员菲利普·科拉博士称。

然而，正如科赫教授强调的那样，目前在中欧发现的 Cochlearia 物种最终很可能无法在气候变化中存活下来。

“尤其是二倍体 Cochlearia excelsa 无法在奥地利山区较高且较冷的地区进一步迁移，因为这种藜科植物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藜科植物也会遇到困难，”他解释道。

然而，研究人员确实表明，整个基因库，尤其是多倍体耐寒植物的基因库，都可以存活下来，特别是在地球的北部地区。这些十字花科植物的进化史为未来植物如何应对气候变化提供了见解。

研究结果发布在期刊上自然通讯。