青藏高原以低温、强风和强辐射等极端环境特点著称，但同时也是全球生物多样性的重要热点地区。模式植物拟南芥全球广泛分布，是研究植物适应性进化机制的理想材料。西藏自然分布的拟南芥，为理解植物如何适应极端环境提供了理想的模式系统。
中国科学院植物研究所和北京大学合作在SCIENCE CHINA Life Sciences在线发表了题为Green revolution gene drives adaptation of Arabidopsis to the extremely high altitude的研究论文，揭示了植物适应高海拔环境的新机制。
聚焦青藏高原海拔（约4000米）拟南芥自然群体材料，与其亲缘关系较近的云南低海拔生态型（约1600米）对比，通过基因组、表型组及分子遗传学等综合分析，来揭示模式植物适应高海拔环境奥秘（图1）。1）多维组学的比较分析表明，西藏生态型基因组含有更多的重复序列和基因丢失；群体遗传分析表明，西藏拟南芥群体具有典型孑遗群体的特征，其有效群体大小在全球拟南芥群体中最小。2）全生育期的表型比较分析表明，15个性状中有10个在两种生态型间有显著差异。3）聚焦10个有显著差异的性状，基于F2群体与亲本的比较进行选择分析（v-test），发现角果密度受自然选择。4）基于QTL图位克隆，发现角果密度差异是由赤霉素合成途径中的GA20ox1基因（绿色革命矮化基因的同源基因）调控。5）GA20ox1的功能缺失变异在全球多个地区的高海拔适应中起到重要作用，说明GA20ox1的平行进化促进了拟南芥的高海拔适应。
图1. 角果密度受到自然选择促进高山适应。
自然选择的直接作用对象是植物的表型性状，该研究强调了从什么表型受选择出发，来揭示植物适应性进化机制的可行性及重要性，同时强调了自然群体中环境适应性基因的研究对育种实践具有重要价值。
中科院植物所特别研究助理侯星慧和助理研究员徐永超为共同第一作者，植物所郭亚龙研究员、徐永超助理研究员和北京大学顾红雅教授为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委和中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划项目的资助。
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www.sciengine.com/SCLS/doi/10.1007/s11427-024-2769-x