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在多倍体进化研究中，为探究同源交换（HE）及相关遗传机制，东北师范大学等研究人员对水稻进行研究。他们发现 HE 可促使水稻快速形成稳定的同源四倍体，这为新多倍体作物的培育提供了理论依据与实践方向。
在植物的进化长河中，多倍体化就像一场神奇的 “变身魔法”，对植物的物种形成和生物多样性产生着深远影响。多倍体植物，简单来说，就是那些细胞内含有多套染色体的植物。它们的出现，不仅为植物界增添了丰富的色彩，还在农业生产中展现出巨大的潜力。然而，这场 “魔法” 背后的机制却充满了谜团。比如，新形成的多倍体植物如何在遗传上实现稳定？它们又是怎样从最初的杂交状态逐渐演变成具有独特特征的新物种？这些问题一直困扰着科学家们，也成为了植物遗传学领域亟待攻克的难题。
为了解开这些谜团，东北师范大学的研究人员勇挑重担，开展了一项极具创新性的研究。他们将目光聚焦在水稻这一重要的农作物上，以粳稻和籼稻亚种间杂交并经基因组加倍获得的材料为研究对象，深入探究多倍体水稻的遗传奥秘。经过不懈努力，研究人员发现了令人惊喜的成果：通过同源交换（HE），能够快速形成稳定的同源四倍体水稻。这一发现，为多倍体植物的进化研究开辟了新的道路，也为培育新的多倍体作物带来了新的希望。该研究成果发表在《Nature Plants》上，引起了广泛关注。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是全基因组重测序技术，通过对大量样本进行测序，深入分析基因组的组成和变异情况。其次是荧光原位杂交（FISH）技术，利用该技术可以直观地观察染色体的行为和变化。此外，研究人员还构建了大量的重组自交系（TRILs）和双单倍体重组自交系（DRILs），这些样本队列成为研究的重要基础，为后续分析提供了丰富的数据来源。
研究结果主要包含以下几个方面：
- 同源交换介导的快速同源多倍体化：通过对 202 个水稻 TRILs 进行全基因组重测序，发现多数 TRILs 因 HE 推动的全基因组片段同质化而高度同源多倍体化，平均纯合度达到 84.1%。不同染色体的纯合度存在差异，如染色体 6 和 10 分别具有最高和最低的纯合度。同时，研究还鉴定出大量 HE 事件，其数量在不同染色体上有所不同，并且双亲对 TRILs 基因组的贡献存在不对称性，9311 的贡献相对更大123。
- HE 和 HR 与基因组 / 表观基因组特征的关联：研究人员将 TRILs 中的 HE 与 DRILs 中的同源重组（HR）进行比较，发现两者在整体模式上具有相似性，但在速率、区域分布和重组位点等方面存在差异。同时，许多基因组和表观基因组特征与 HE 和 HR 的速率显著相关，且 HE 在基因体区域的断点更富集，这与基因组的低甲基化状态有关456。
- 1.7-Mb 片段的单亲贡献：所有 TRILs 在染色体 6 上都含有一个来自 9311 的 1.7-Mb 核心片段，这一现象极有可能是由于强烈的正向选择导致的。进一步研究发现，该片段中的一些基因功能存在差异，如参与 DNA 损伤修复的基因，这可能是其被保留的重要原因789。
- TRILs 的减数分裂稳定性和表型多样性：研究人员对不同育性的 TRILs 进行减数分裂染色体行为分析，发现高育性的 TRILs 减数分裂稳定性较高，与 S1 段异源四倍体相比，其双价体形成频率和交替型四价体配置频率更高。在表型方面，TRILs 具有丰富的多样性，部分 TRILs 在产量和非生物胁迫抗性等方面表现出超亲优势101112。
在结论和讨论部分，研究成果展现出多方面的重要意义。从进化角度看，HE 催化的 “异源到同源” 多倍体转变为植物进化提供了新的视角，表明在适度亲本遗传差异和不存在强同源配对抑制基因的条件下，HE 可能是推动进化的重要力量。在遗传机制方面，研究揭示了 TRILs 基因组组成受遗传约束，如双亲贡献不对称和特定片段的单亲遗传，这有助于深入理解多倍体植物的遗传规律。此外，部分 TRILs 表现出稳定的减数分裂和高育性，打破了传统观念中同源多倍体减数分裂不稳定和低育性的认知，为多倍体育种提供了理论支持。在农业应用上，TRILs 具有成为新型作物的潜力，其丰富的表型多样性和部分优良性状，如高产、抗逆等，为作物育种提供了新的种质资源，有望推动多倍体作物的快速创新和发展，从而为解决全球粮食安全问题贡献重要力量。
