我校生命科学学院刘宝教授及其研究团队多年来一直从事多倍体小麦物种形成过程中染色体和基因组稳定性的研究。异源六倍体小麦（Triticum aestivum L.）是人类最重要粮食作物之一，也是研究异源多倍化跳跃式成种的教科书范例。研究团队通过创制独特合成小麦体系，对四倍体小麦和六倍体小麦物种形成和小麦粗山羊草（Aegilops tauschii）D基因组的起源开展了深入研究，并取得系统性的创新成果。相关研究工作受到国内外同行的广泛关注和高度评价。
1.发现多倍体小麦进化在四倍体水平上只有SSAA组合具有强大的演化潜力（evolvability），说明二倍体物种杂交组合的固有核型稳定性和基因拷贝数快速变异是决定异源四倍体小麦（T. turgidum）物种形成的重要因素（图1），填补了关于四倍体小麦物种形成的一个认知盲点。
图1：二倍体物种两两之间杂交组合核型稳定性和基因拷贝数快速变异研究。(A) 利用小麦现存二倍体祖先物种（AA/SS/DD）构建了基因组分别为SSAA、AADD和SSDD的合成异源四倍体小麦；(B) Pyrosequencing分析SSAA基因拷贝数变异；(C) 三种人工合成四倍体小麦的穗和籽粒表型；（D）AADD和SSDD中染色体结构变异
2.发现六倍体小麦形成早期伴有广泛的染色体数目变异、DNA甲基化变异以及可遗传基因表达改变。提出源自四倍体小麦的Ph1基因在六倍体小麦形成后发生了进一步功能演化，以及表观遗传学机制在多倍体小麦物种形成初期的进化发挥重要作用的新观点（图2）。该研究修正了学术界之前认为“普通小麦因为含有Ph1基因，不存在染色体不稳定性”（Griffiths et al., 2006. Nature）的观点。
图2：新合成异源六倍体小麦染色体数目变异、DNA甲基化变异以及可遗传基因表达改变。(A) 合成六倍体小麦标准核型；(B) 新合成六倍体小麦非整倍体发生频率；(C) DNA甲基化变异；(D) 抽提四倍体小麦（倍性逆转）产生剧烈表型变化但核型维持稳定
3.发现源自六倍体小麦的二倍体亲本（D基因组供体）的关键耐盐基因（TaHKT1;5-D）在六倍体形成时发生表达模式的即刻转换（instantaneous transition），是六倍体小麦快速产生耐盐性的分子机制之一，为理解六倍体小麦广泛适应性提供了新的知识点（图3）。相关论文2014年发表后，得到国内外同行高度认同，提出的工作模型被国际著名植物生物学家、美国科学院院士Julia Bailey-Serres 2015年发表在Nature Reviews Genetics权威综述原图引用和高度评价。
图3：新形成六倍体小麦耐盐性状产生的分子机制。(A) 新形成六倍体小麦耐盐性的生长表型和 (B) 多种生理表型；(C) 源自D亚基因组二倍体供体粗山羊草（Aegilops tauschii）的关键耐盐基因（TaHKT1;5-D）表达模式转换，引发多倍体小麦叶片中K/Na平衡变化的工作模型（working model）
4.研究团队对粗山羊草（Aegilops tauschii）D基因组的起源进行研究，联合分析11个现存小麦-山羊草复合体物种进行了叶绿体基因组与低拷贝核基因演化关系，首次提出D基因组物种Aegilops tauschii为多次同倍复合杂交起源新观点（图4）。
图4. 基于叶绿体基因组构建的小麦-山羊草复合群（Triticum-Aegilops complex）代表性物种之间的邻接树（Neighbor Joining Tree）支持D基因组谱系起源于多轮同倍体杂交复合。
研究团队针对多倍体小麦起源与进化领域颇具争议但具有重要学术价值的科学问题，通过创制独特的合成小麦体系，进行了系统研究，在PNAS（3篇）、Molecular Biology and Evolution、The Plant Cell、New Phytologist （4篇）、Plant Physiology、BMC Biology、Genetics等权威学术期刊上发表研究论文30余篇，得到本领域国内外同行的广泛引用和正面评价，提升了我国在多倍体小麦起源与演化研究领域的国际影响。该项研究成果获2020年度吉林省科学技术奖自然科学一等奖。
科学技术处
2020年11月26日