多倍化（polyploidy）是物种形成与演化的重要驱动力，所有被子植物在其进化历史中都经历过一次或多次多倍化事件。由于突然的基因组倍增，多倍体形成初期不可避免存在减数分裂异常问题，导致大量非整倍体配子，进而产生非整倍体个体后代。这些非整倍体个体的适合度通常远低于整倍体，因此被认为只是多倍体形成早期世代不可避免的副产物并被很快选择清除，没有进化意义。然而，这一看似合理的直觉推测并没有实验依据。
近日，东北师范大学刘宝教授团队和大连理工大学吕睿丽博士在ScienceAdvances发表了题为Aneuploidy confers environmentally robust higher evolvability than euploidy in a synthetic allotetraploid wheat的研究论文。该研究在正常及三种非生物胁迫条件下，通过平行人工演化实验，对经过连续10个有性世代筛选的合成异源四倍体小麦中的非整倍体群体和整倍体群体的进化潜力（evolvability）进行了系统评估。结果发现，即使在正常条件下，仍有约30%的非整倍体群体表现出显著高于“同源”整倍体群体（来自共同的整倍体群体，详见下述）的进化潜力。而在三种胁迫条件下任何一种存活的个体，绝大多数均为发生特定染色体丢失/增加的非整倍体（即趋同非整倍体变异）；少数存活的整倍体个体也均源自特定非整倍体的后代，且这些后代均含有相同的复杂结构变异。生理测定结果显示，在胁迫抗性群体中，胁迫诱导的细胞生理特征发生了偏移，趋向或超越耐受性更强的二倍体亲本。全基因组重测序排除了合成多倍体中发生的核苷酸水平的突变作为潜在机制的可能性。该研究表明，非整倍体可能作为一个过渡性的“跳板”，通过将其即刻的耐逆性及更强的进化潜力遗传给整倍体后代，进而促进新形成多倍体的建立和可能的适应性演化。作者还推测，非整倍体可能在多倍体物种的重新二倍化（rediploidization）过程中具有类似作用。
该研究利用的实验材料是一个基因组组成为AADD的人工合成异源四倍体小麦。该材料是通过野生二倍体小麦即乌拉尔图小麦（Triticum urartu, AA）与粗山羊草（Aegilops tauschii, DD）之间的属间杂交，再诱导F1杂种全基因组染色体加倍构建而成（图1）。这两种二倍体野生物种是六倍体普通小麦（T. aestivum, BBAADD）仅有的现存直接祖先。
该研究通过连续10代的平行选择，从AADD的一个共同的整倍体早代群体中分别连续筛选非整倍体和整倍体后代。具体而言，从10个经细胞遗传学（GISH/FISH）鉴定的S10代整倍体个体中，各随机选取40粒种子，构成包含源自400粒整倍体的Common Euploid Founders (CEuFs)。将这些种子分为两个子集，每个子集含200粒种子（图1）。其中一个子集用于连续世代筛选“不同的非整倍体”（这里“不同的非整倍体”被定义为：具有独特染色体数目和/或组成的非整倍体个体，无论其是否存在结构变异），共获得了199个个体，每个个体具有独特的非整倍体核型（图1）。进一步收获这199株非整倍体的所有种子，用于适合度测定。与此同时，CEuFs的另一子集（200粒种子）用于连续世代筛选整倍体（图1），也选取了199个整倍体个体（均携带相同的整倍体核型），收获每个个体的全部种子用于适合度测定。
Fig. 1. Parallel transgenerational selection for euploidy and aneuploidy from CEuFs of the synthetic allotetraploid wheat AADD.
人工演化实验结果显示，在正常大田条件下，经连续世代筛选获得的199个非整倍体个体的直接后代群体中，约有30%表现出比对应的整倍体后代群体更高的进化潜力（定义为后代结实率）。这一令人意外的结果表明，即使在无胁迫、稳定的正常环境下，携带某些特定非整倍体核型的新形成四倍体植株比整倍体具有更高的适合度，说明并非所有非整倍体都导致适合度降低。
作者进一步在三种非生物胁迫条件下，对经连续世代筛选的两种群体（整倍体和非整倍体）的后代群体进行了筛选实验。结果表明，两种亲体的后代群体均产生了存活个体，但源自非整倍体后代群体的存活个体数量是整倍体后代群体的4倍。进一步研究发现，来自两种群体、三种胁迫的存活个体绝大多数都是特定类型的非整倍体，表现出明显的“趋同非整倍体类型”；而少数存活的整倍体个体也均源自上一代为特定非整倍体的个体，且均含有相同的，由于部分同源染色体重组导致的部分同源区段交换（homoeologous exchanges, HE），说明至少部分非整倍体能都将其胁迫抗性遗传给整倍体后代。
大量研究表明，新形成多倍体由于基因组不稳定也可能发生快速的DNA水平变异。为确认胁迫抗性个体是否是由于发生了与胁迫抗性相关的基因突变，作者选取了代表性个体进行了全基因组重测序分析。结果表明，在已知或预测参与植物非生物胁迫抗性基因中，未发现错义SNP或InDel，排除了基因突变导致合成四倍体小麦AADD中少数个体出现抗逆表型的可能性。
由于非整倍性涉及整条染色体的获得和/或丢失，导致其载有的所有基因剂量失衡，不可避免导致适合度降低。因此，不仅其优势表型可能具有环境依赖性，并且在进化时间尺度上应该是短暂的，即非整倍体不可能成为稳定的演化策略（stable evolutionary strategy）。该研究一个有趣的发现是：非整倍体的有益效应在一定程度上可以被其整倍体后代选择性保留，并且由于非整倍性的不利效应被消除，这种有利效应在“恢复整倍体”中可以在进化上更稳定。换言之，虽然非整倍体本身可能是短暂的，但其部分适应性特征可以是持久的。因此，作者提出：非整倍性可能在多倍体进化的“诞生”（即其形成早期世代）和“消亡”（即其基因组重新二倍化）过程中均具有正向作用而促进生物演化。
东北师范大学生命科学学院刘宝教授和已毕业博士生吕睿丽（现为大连理工大学生物工程学院博士后）为该文共同通讯作者，在读博士研究生王晗、王睿思、陈波仕以及已毕业博士Tariq Aslam为论文共同第一作者，在读博士生连涛涛和徐春明副教授对本研究做出了实质性贡献。该研究得到国家重点研发项目和中国博士后科学基金面上项目的资助。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec8789
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