网状异源多倍化与后续非整倍化驱动棉花科植物进化与多样化

本研究针对植物多倍化(PPD)在进化成功中的争议性作用，通过构建棉花科(Malvaceae)9个亚科11个染色体级别基因组，揭示了白垩纪-古近纪(K-Pg)边界发生的复杂网状古异源多倍化事件(Mal-β和Mal-α)，首次发现非整倍化速率与分类丰富度呈显著正相关(R2≥0.90)，验证了"多倍化促进生存而非整倍化决定成功"假说，为被子植物多样性形成机制提供了新见解。

　　

在植物进化史上，多倍化(Whole Genome Duplication, WGD)一直是个充满争议的话题。虽然普遍认为所有开花植物都经历过古老的多倍化事件，但新形成的多倍体往往面临更高的灭绝风险，这形成了所谓的"多倍化悖论"。特别是在棉花科(Malvaceae)这类具有重要生态和经济价值的植物类群中，其复杂的网状进化历史和尚未解析的多倍化事件，使得该科成为研究多倍化进化意义的理想模型。

中国科学院昆明植物研究所极小种群野生植物综合保护重点实验室的研究人员联合国内外多个团队，在《Nature Communications》发表了突破性研究成果。通过对棉花科全部9个亚科的代表物种进行基因组测序，包括新测序的布朗罗维亚亚科(Brownlowioideae)等4个近端粒到端粒组装基因组，揭示了该科复杂的进化历史。研究创新性地将多倍化与非整倍化(Dysploidy)过程结合分析，为理解被子植物多样性形成机制提供了全新视角。

关键技术方法包括：(1)采用PacBio HiFi和Hi-C技术完成染色体级别组装；(2)运用Orthology Index(SOI)进行直系同源共线性分析；(3)通过WGDI工具重建祖先核型；(4)基于ASTRAL和IQ-TREE构建系统发育网络；(5)利用BPP软件检测基因渗入事件。样本来源于西双版纳热带植物园和昆明植物园。

复杂网状古异源多倍化

研究发现了棉花科进化史上两次关键的多倍化事件：Mal-β(异源四倍化)和Mal-α(异源十倍化)，均发生在K-Pg边界附近(约67-57百万年前)。通过比较基因组分析，证实这些多倍化事件以网状方式发生，产生了至少5个具有不同倍性的古老多倍体谱系。特别值得注意的是，研究人员首次在植物中报道了从四倍体到十倍体的阶梯式多倍化过程，推测其通过未减数配子的连续杂交实现。

祖先起源与多样化

系统发育网络分析揭示了棉花科祖先基因组的复杂进化轨迹。研究团队意外发现传统分类中的榴莲(Durio zibethinus)与梧桐科其他物种具有不同的多倍化起源，因此提出了新亚科Durionoideae的分类建议。分子钟分析表明，所有棉花科亚科的分化都发生在古新世晚期(约56百万年前)之前，早于古新世-始新世极热事件(PETM)。

非整倍化主导的染色体水平二倍化

研究发现棉花科中染色体数目变化主要遵循"多倍化-非整倍化"波动模式。特别引人注目的是，栽培棉花(Gossypium raimondii)经历了极端的下降非整倍化，染色体数从预期的53条减少到13条，涉及30多个末端连接(EEJ)事件。这种剧烈的基因组重塑发生在棉族(Gossypieae)分化期间(10-20百万年前)，与棉花物种形成时间高度吻合。

偏向性基因丢失与多拷贝基因命运

研究揭示了亚基因组间存在明显的偏向性保留模式(A<><><><>

多倍化促进生存而非整倍化决定成功

这项研究最具突破性的发现是建立了非整倍化速率与分类丰富度的定量关系。数据显示染色体水平二倍化程度(非整倍化速率)与属/种丰富度呈极显著正相关(R²=0.97/0.90)。这一发现完美解释了"多倍化辐射滞后时间模型"——虽然多倍化可能帮助植物度过K-Pg灭绝事件，但后续的二倍化过程(特别是染色体重组)才是推动物种多样化的关键驱动力。

该研究不仅解决了长期困扰学界的"棉花科谜题"，更重要的是提出了"多倍化促进生存而非整倍化决定成功"的新理论框架。这一发现对理解植物适应性进化具有重要意义，也为作物基因组育种提供了新思路——通过调控染色体稳定性可能成为提高作物多样性的新途径。研究建立的亚基因组分析方法(WGDI)和网状进化解析策略，将为其他复杂植物类群的进化研究提供重要参考。