菱屬(Trapa L.)植物果實碩大、淀粉含量豐富，是一類具有重要經(jīng)濟價值的水生植物，其栽培歷史達六千年以上。該屬植物原產(chǎn)于亞洲、非洲和歐洲，目前已入侵北美地區(qū)。我國蘊藏著豐富的菱屬野生與栽培種質(zhì)資源，但其食用價值與遺傳潛力尚未得到充分挖掘，屬內(nèi)物種分化機制及多倍體形成過程仍不明確。近年來，隨著氣候變化加劇與全球糧食安全形勢日益嚴(yán)峻，深入研究這類營養(yǎng)豐富、種質(zhì)資源充足的“孤兒作物”，顯得尤為迫切。

基于細胞核與葉綠體的基因組信息，能夠全面獲取物種在核與質(zhì)層面的遺傳變異信息，從而深入解析物種分化、多倍體起源、譜系關(guān)系、馴化歷史及入侵機制等關(guān)鍵科學(xué)問題。本研究基于來自亞洲和北美的229份菱屬種質(zhì)材料(圖1)，結(jié)合全基因組重測序與果實形態(tài)分析，系統(tǒng)梳理了菱屬植物的物種進化關(guān)系，并在已知的AA和BB型基因組之外，首次揭示一類新的CC型基因組的存在。 在AA基因組類群中，研究明確將其劃分為長江流域和黑龍江流域兩個進化分支：所有栽培類群均為AA型基因組，且均起源于長江流域，而入侵北美的二倍體物種(T. natans，AA型)則源自黑龍江流域。對于BB基因組類群，盡管《Flora of China》(英文版《中國植物志》)將細果野菱(T. maximowiczii)和四角刻葉菱(T. incisa)合并為一種，但基于花色、果實形態(tài)、遺傳信息及地理分布等多方面證據(jù)，本研究支持仍將其劃分為兩個獨立的物種。

在四倍體起源方面，研究發(fā)現(xiàn)亞洲與北美的四倍體雖均為異源多倍體，卻具有截然不同的進化歷程。亞洲四倍體(AABB)的母本為長江流域的AA型物種，父本為來自黃河–長江流域的T. maximowiczii(BB型)。而北美四倍體菱(T. bispinosa var. linumai)的母本為一類古老的AA物種，父本則是一種與已知的AA和BB基因組均存在明顯遺傳分化的物種(推定為“CC”型)，推測北美四倍體基因組為AACC型(圖2)。

圖1：菱屬果實形態(tài)與采樣點分布

圖2：菱屬植物基因型及多倍化過程概況

該研究為揭示菱屬進化歷史、多倍化事件及入侵來源提供了關(guān)鍵見解，也為有效保護與可持續(xù)利用這一未被充分開發(fā)的水生植物資源奠定了遺傳學(xué)基礎(chǔ)。相關(guān)成果近日以“Genomic resequencing unravels species differentiation and polyploid origins in the aquatic plant genusTrapa”為題，發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊The Plant Journal。

中國科學(xué)院武漢植物園特別研究助理樊香絨博士與已畢業(yè)博士曲明昊為論文共同第一作者，陳媛媛副研究員和高磊研究員為共同通訊作者。美國喬治梅森大學(xué)Nancy Rybicki教授、美國陸軍工程師研究與發(fā)展中心Lynde L. Dodd博士及喬治華盛頓大學(xué)閔捷博士參與了研究工作，并對論文修改提出了寶貴建議。研究得到了國家自然科學(xué)基金和湖北省自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體等項目的資助。