aBIOTECH | 胡冠菁团队揭示异源多倍体棉花倍性变化的基因表达演化动态

多倍化作为植物进化的核心驱动力，不仅重塑了开花植物基因组，还赋予了作物更强的环境适应性和产量优势。棉花作为研究异源多倍化的经典模型，其栽培种陆地棉（Gossypium hirsutum, AD₁）和海岛棉（G. barbadense, AD₂）均起源于A基因组和D基因组二倍体祖先的杂交与全基因组加倍。然而，由于缺乏人工合成的异源多倍体材料，基因组加倍对棉花基因表达的即时效应一直以来未能被单独解析。

近日，中国农业科学院棉花研究所/深圳农业基因组研究所胡冠菁研究员团队在aBIOTECH 发表了题为“The evolution of gene expression in allopolyploid cotton relative to parental diploids and induced haploids”的研究论文。该团队创新性地利用棉花单倍体材料，通过反向解析倍性变化效应，系统揭示了棉花异源多倍化过程中基因表达的进化规律及调控机制，为多倍体作物的遗传改良提供了重要理论支撑。

研究团队选取7个关键棉花基因型开展系统研究，包括A基因组二倍体亚洲棉（G. arboreum, A₂）、D基因组二倍体雷蒙德氏棉（G. raimondii, D₅）、二者的人工杂交F₁代（A₂×D₅）、天然异源四倍体陆地棉（AD₁）和海岛棉（AD₂），以及不同技术获得的单倍体（hAD₁通过GhDMP基因敲除诱导，hAD₂通过半配生殖诱导）。通过流式细胞术验证单倍体倍性，并对叶片组织进行RNA-seq测序分析，构建了涵盖二倍体、杂交种、四倍体及单倍体的全维度转录组数据集，为解析倍性变化与物种进化对基因表达的独立效应奠定了基础。

转录组差异分析显示，单倍体与对应四倍体之间的差异表达基因比例极低（hAD₁ vs AD₁仅7.5%，hAD₂ vs AD₂仅0.5%），而四倍体与二倍体、杂交种之间的差异基因比例高达28.0%-32.4%（图1A）。这表明倍性的即时变化（无论是加倍还是减半）对全局基因表达的影响有限，而物种长期进化和杂交带来的基因组融合效应更为显著。功能富集分析发现，倍性变化主要影响染色体分离、核小体动态及茉莉酸生物合成等特定通路，这些通路可能与多倍体作物的生长发育和抗性密切相关（图1C-D）。

图1. 差异表达分析与功能富集

同源基因表达偏倚（HEB）是多倍体基因功能分化的重要特征。研究发现，四倍体棉花（AD₁和AD₂）中约32.9%-34.3%的同源基因对存在表达偏倚，而单倍体（hAD₁和hAD₂）中这一比例降至20.3%-26.2%，接近杂交种F₁（15.7%）的水平（图2A-B）。这一结果表明，倍性水平与同源基因表达分化呈正相关，倍性降低通过改变反式调控环境，弱化了同源基因间的表达差异，揭示了倍性对亚基因组表达平衡的调控作用。

图2. 同源表达偏向性与进化效应

顺-反调控分析显示，四倍体中顺式调控变异（与HEB相关）的比例高于单倍体，而反式调控效应在单倍体中更为突出且持续存在（图3A）。这意味着多倍化过程中顺式调控变异的积累促进了同源基因表达偏倚，而倍性降低主要通过改变反式调控环境影响基因表达，二者共同构成了多倍体基因表达调控的核心机制。此外，研究还发现非加性表达模式（包括表达水平优势和超亲表达）在四倍体和单倍体中更为普遍，且呈现A基因组表达优势增强的趋势，这与棉花多倍体化后的亚基因组进化特征一致。

图3. 不同倍性的顺-反调控模式变化

该研究通过创新性的单倍体反向验证策略，首次清晰分离了基因组加倍的即时效应与长期进化效应，揭示了棉花异源多倍体化过程中基因表达进化的时间动态和调控变化。研究结果不仅深化了对植物多倍化调控机制的理解，还为通过倍性育种优化棉花发育、抗性提供了理论依据。

该研究得到了新疆重点研发计划、中国农业科学院科技创新工程、国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目联合资助。中国农业科学院棉花研究所/深圳农业基因组研究所联合培养博士生罗皓天为本文第一作者，中国农业科学院棉花研究所李燕副研究员为共同第一作者。胡冠菁研究员和张永山研究员为共同通讯作者。中国农业科学院棉花研究所马雄风研究员对该研究做出了重要指导。

引用本文：

Luo H, Li Y, Xiong X, Gu S, Ma X, Zhang Y, et al. The evolution of gene expression in allopolyploid cotton relative to parental diploids and induced haploids. aBIOTECH 2025. https://doi.org/10.1016/j.abiote.2025.100019