近日，中国热带农业科学院热带生物技术研究所/甘蔗研究中心阙友雄研究员团队联合美国爱荷华州立大学Jonathan F. Wendel教授团队在国际权威期刊《Nature Genetics》发表综述论文，系统解析多倍体作物适应性进化的基因组基础及其育种利用途径。研究提出，应从基因组加倍、亚基因组调控、杂交与基因流、表型可塑性及作物—微生物互作等多个层面理解多倍体作物的环境适应，并构建“多倍体感知”的气候韧性育种框架，为复杂基因组作物精准改良提供新思路。

甘蔗、小麦、马铃薯、香蕉、甘薯和棉花等重要作物均具有多倍体背景。全球平均年产量排名前20位的作物中，有6种为多倍体，其产量约占这些主要作物总产量的48%。研究指出，全基因组加倍并非简单增加染色体数量，而是同时带来新的进化机会与遗传代价。一方面，基因冗余、等位基因剂量变化、同源基因交换及亚基因组分化可产生新的遗传和调控组合，为作物应对环境变化提供丰富的选择材料；另一方面，多套染色体也可能造成减数分裂不稳定、剂量失衡及有利隐性变异被掩盖等问题。因此，多倍化能否转化为适应性优势，取决于多倍体形成方式、基因组稳定程度、遗传背景及环境条件。

图1.多倍体形成的主要途径及其基因组和细胞学效应

研究进一步指出，多倍体作物的适应并非单纯依赖“遗传多样性增加”，而是由基因剂量、亚基因组优势、同源基因差异表达及表观遗传调控等机制共同塑造。小麦、甘蔗、棉花、马铃薯和油菜等作物在干旱、盐碱、低温和病原胁迫下，均表现出不同程度的亚基因组偏向性或等位基因特异性表达；转座元件、DNA甲基化、染色质可及性和小RNA等调控层进一步参与环境响应。杂交和基因流还可引入有利等位基因和适应性单倍型，表型可塑性和胁迫记忆则拓展了作物快速响应环境变化的能力。与此同时，研究强调，目前多倍体与根际微生物组之间的直接因果证据仍较有限，其作用受到宿主遗传背景和环境条件的显著影响。

图2.多倍化对作物基因组、表型和环境适应的影响

面向气候变化背景下的作物育种，研究提出建立“多倍体感知”的气候韧性育种框架，将倍性水平、等位基因剂量、亚基因组组成和同源基因表达等多倍体特征纳入育种设计，综合应用多环境表型鉴定、多倍体感知型基因组预测、单倍型与同源基因验证、多靶点基因编辑、表观基因组调控及微生物辅助育种等技术，将复杂基因组中的适应性变异与真实田间表现直接关联。未来应重点解析真实环境下基因型与环境互作规律，构建可跨遗传背景和生态区域应用的适应性预测模型，推动多倍体作物育种由“解析复杂基因组”向“利用复杂基因组”转变，为培育广适、抗逆、稳产和低投入的气候韧性新品种提供理论支撑。

图.3 多倍体作物胁迫适应与气候韧性育种研究框架

相关成果以“Adaptive evolution of polyploid crops”为题发表于《Nature Genetics》。中国热带农业科学院甘蔗研究中心王裴林副研究员为论文第一作者，美国爱荷华州立大学Jonathan F. Wendel教授和中国热带农业科学院甘蔗研究中心阙友雄研究员为共同通讯作者。中国农业科学院南繁研究院李晨辉博士、中国热带农业科学院吴期滨研究员、王东姣副研究员和孙婷婷副研究员等参与论文研究。该研究得到国家热带农业科学中心科技创新团队、热带作物生物育种全国重点实验室、中央级公益性科研院所基本科研业务费专项和国家现代农业产业技术体系等项目资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41588-026-02707-7