《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Palaeopolyploidy promoted ancient adaptation of Tibetan sclerophyllous oaks to aridity and cold triggered by mountain uplift
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基因组大小与保卫细胞长度的关联揭示青藏高原 oak 破片化石在 Middle Miocene 可能经历四倍体化事件，为被子植物古老多倍体提供直接证据，并证实基因组水平适应区域气候变化的有效性。
Jin-Jin Hu | Wen-Guang Sun | Jia Liu | Robert A. Spicer | Zhuo Zhou | Yong-Jiang Huang | Zhi-Min Li | Tao Su | Ting-Shen Han | He Tang | Lin-Bo Jia | Yun-Heng Ji | Hang Sun | Yao-Wu Xing | Zhe-Kun Zhou
中国科学院西双版纳热带植物园云南森林生态系统稳定性与全球变化重点实验室，中国云南省孟拉市 666303
摘要
多倍体是一种重要的进化力量，能够增加植物多样性和环境适应性。重建植物化石的基因组大小（GS）和倍性有助于我们更好地理解植物进化和应对环境压力的能力。古多倍体现象通常是通过分子数据推断出来的，但精确确定多倍体事件的时间还需要进一步研究。迄今为止，尚未有确凿的化石证据表明被子植物曾经历过古多倍体现象。本研究利用保卫细胞长度（GCL）与基因组大小之间的强正相关性，分析了来自中国西藏南部晚始新世（约3460万年前，Markam植物群）和中中新世（约1500万年前，Namling植物群）的硬叶栎属（Quercus sect. Heterobalanus）化石，以及来自中国云南的三个晚更新世化石的基因组大小。结果显示，Namling化石的基因组大小大约是晚始新世和晚更新世化石以及现存物种的两倍，这表明Namling化石可能经历了多倍体化事件。这些四倍体植物在约1500万年后似乎具有更强的抗旱性和抗寒性，这一特征通过该植物群中保存的两种不同化石组合得到了体现，这与冈底斯山脉的抬升时间相吻合。我们对硬叶栎属四倍体的发现为被子植物的古多倍体现象提供了有力的化石证据，并展示了植物在基因组层面对区域气候变化所做的适应。GCL分析是一种有前景的工具，可用于研究陆地植物进化过程中的基因组大小变化。未来需要进一步研究GCL变化的驱动因素，以提高这一指标的准确性和可靠性。
引言
多倍体，即全基因组复制（WGD），在现代植物中非常普遍，尤其是在被子植物中，被认为是与植物物种形成、多样化和生殖生物学密切相关的重要进化力量（Jiao等人，2011；Kauai等人，2024；Román-Palacios等人，2020；Van de Peer等人，2021）。Masterson（1994）通过比较化石中的气孔大小与现存相关物种的气孔大小，估计出70%的被子植物在其祖先中经历了多倍体化事件。多倍体中的基因组加倍增加了遗传多样性，从而显著提高了植物的适应性和环境压力耐受性（Edgeloe等人，2022；Feng等人，2021；Soltis等人，2009；Xu等人，2023）。多倍体植物表现出更高的基因表达水平、更广泛的表型变异性和杂种优势效应，这使它们比二倍体植物更能适应恶劣环境（Comai，2005；Fawcett等人，2009；Lyu等人，2024）。值得注意的是，多倍体植物在高纬度和高海拔地区比二倍体植物更为常见（Brochmann等人，2004；Morton，1993；Rice等人，2019；Yang等人，2024），并且在殖民或生存于干旱生境方面具有适应性优势，这得益于大基因组大小带来的核型效应和更高的繁殖灵活性（Godfree等人，2017；Lyu等人，2024；Wu等人，2010）。此外，多项研究表明，在大规模灭绝事件期间，如白垩纪-古近纪（K–Pg）或古新世-始新世过渡期，多倍体化是植物生存和传播的关键机制（Cai等人，2019；Fawcett等人，2009；Zhang等人，2020）。
尽管多倍体化事件在整个被子植物进化过程中非常普遍且重要，但迄今为止几乎没有直接证据表明存在古多倍体现象（Leebens-Mack等人，2019；Soltis等人，2015），因为尚未在开花植物谱系中发现确凿的化石证据。古多倍体现象通常是通过全基因组测序来推断的（Jiao等人，2011），然而这种方法的时间分辨率较低，需要改进（Clark和Donoghue，2018），才能将古多倍体事件与特定的环境因素联系起来。另一种方法是利用保存在叶化石中的气孔大小（通常由保卫细胞长度GCL表示）来估计古代的多倍体或基因组大小（GS），如果化石年代测定准确，这种方法具有较高的时间分辨率，可以提供与特定环境事件相关的表型和基因型变化的直接证据（Jardine等人，2025；Masterson，1994；McElwain和Steinthorsdottir，2017）。例如，McElwain和Steinthorsdottir（2017）利用三叠纪-侏罗纪大规模灭绝期间的GCL变化，推断出早侏罗世存在四倍体银杏属（Fawcett等人，2009），表明大规模灭绝条件有利于多倍体化。Masterson（1994）利用气孔大小粗略估计了某些Magnolia化石的基因组大小。由于这些Magnolia化石已经灭绝，因此难以与它们现存的近亲进行可靠的比较。因此，关于被子植物的古多倍体的确凿化石证据仍然缺乏。
气孔大小这一指标基于气孔大小与基因组大小之间的正相关关系（Franks等人，2012；Jardine等人，2025；Lomax等人，2014）。先前的研究发现，在数百种被子植物物种（Beaulieu等人，2008；Hodgson等人，2010；Jardine等人，2025；Lomax等人，2014；Simonin和RoddY，2018）、一些裸子植物和一些蕨类植物（Simonin和RoddY，2018；?marda等人，2018）中，气孔大小（主要是GCL）与基因组大小之间存在显著的正相关关系。基于这些相关性，人们尝试估计古代的多倍体或基因组大小（Clark等人，2019；Franks等人，2012；McElwain和Steinthorsdottir，2017；Zhou等人，2020）。然而，这些研究中用于估计基因组大小的化石都基于已灭绝的物种，其气孔大小可能与现存物种无法直接比较。因此，需要基于具有现存近亲的被子植物物种来估计古多倍体现象。
青藏高原（TP）以其复杂的地形演化而闻名。简而言之，在古新世时期，TP南部形成了一个高达约4.5公里的高山系统（Ding等人，2014），在高山喜马拉雅山脉崛起之前，这里是一个潜在的生物多样性摇篮（Spicer等人，2020a）。在冈底斯高地以北，一个深邃的古山谷（底部海拔约1.5公里）从东向西延伸穿过西藏中部（Su等人，2019a；Su等人，2020），贯穿了整个古新世时期。到了中古新世，西藏东部和横断山脉的部分地区已经达到了接近现在的海拔高度（He等人，2022；Su等人，2019b；Xiong等人，2020），而云南大部分地区也发生了类似的结构变化（Gourbet等人，2017；Linnemann等人，2018；Tian等人，2021）。高山喜马拉雅山脉直到新近纪才形成，在大部分西藏地区达到当前海拔高度之后才隆起，并在中新世或晚中新世之后才伸出高原（Chen等人，2020；Ding等人，2017；Gébelin等人，2013；Liu等人，2024；Xue等人，2025）。TP和喜马拉雅山脉复杂的地形演化对区域大气环流产生了深远影响，从而促进了亚洲季风系统的渐进式演化，使得该地区生物多样性极为丰富（He等人，2022；Mosbrugger等人，2018；Spicer等人，2020b）。多倍体逐渐被认为是推动这一多样化的关键机制之一（Wu等人，2022），在Allium（Liang等人，2015；Wu等人，2010）、Oxyria（Luo等人，2017）、Eutrema（Wang等人，2023）等物种中都有相关记录。因此，西藏地区为我们提供了一个天然的实验室，可以研究在这种复杂且动态的环境中植物基因组大小和倍性的变化。然而，尽管中新世是TP和喜马拉雅山脉植物多样化的关键时期（Wambulwa等人，2021），但物种对这些剧烈地形和气候变化的响应仍很大程度上未知。
栎属（Quercus）是具有生态、经济和环境重要性的最多样化树种之一（Gil-Pelegrín等人，2017）。它们是北半球分布最广的木本植物属之一，栖息在从温带和寒温带地区到热带和亚热带地区的各种环境中（Gil-Pelegrín等人，2017）。它们是阔叶林的关键组成部分，表现出高度的物种多样性，并记录了历史地质和气候事件的重要生态影响（Deng等人，2018）。特别是硬叶栎属（Q. sect. Heterobalanus sensu Menickij，1984）在西藏东南部和横断山脉的硬叶林中占主导地位，其分布海拔范围约为1500–4500米（Hu等人，2015；Huang等人，1999）。在TP地区的晚新生代地层中也发现了大量的硬叶栎属化石（Chen等人，2021；Zhou，1999）（图1），这些化石不仅能够指示与TP地形演化相关的环境或气候变化，还为重建古基因组大小和倍性提供了良好机会。在本研究中，我们（1）基于42种现代种子植物和139种已发表的现存被子植物中观察到的GCL与基因组大小之间的显著正相关关系，估计了五个始新世至更新世遗址中硬叶栎属化石的基因组大小；（2）探讨了在西藏南部地形复杂演变期间，硬叶栎属基因组大小变化的可能影响。
现存植物材料和化石样本
随机选择了42种现存种子植物进行研究，包括34种被子植物和8种裸子植物，以探讨气孔保卫细胞长度（GCL）与基因组大小（GS）之间的相关性。这些物种涵盖了18个科和27个属，包括13种树木、16种灌木和13种草本植物（表A.1）。这42种植物的数据与Beaulieu等人（2008）中的101种被子植物数据和Lomax等人（2014）中的38种Allium物种的数据进行了整合，以构建GCL与GS的相关性。
化石叶片
GCL与GS之间的相关性
本研究中使用的42种种子植物的基因组大小范围很广，从Spiraea cantoniensis Lour.的2C = 0.50 Gbp到Paris tengchongensis Y.H.Ji, C.J.Yang & Yu L.Huang（2017）的2C = 170.71 Gbp不等（表A.4）。相应地，S. cantoniensis的气孔保卫细胞长度最小（18.31 μm），而P. tengchongensis的最大（77.72 μm）（表A.4）。在研究的42种植物中，GCL与GS之间存在显著的正相关关系（P < 0.001）。
GCL与GS之间的关系
本研究使用42种种子植物以及139种被子植物的已发表数据，发现了气孔保卫细胞长度（GCL）与基因组大小（GS）之间的显著正相关关系。这些强相关性独立于系统发育影响，为从植物化石中估计基因组大小提供了有希望的基础。以往关于GCL与GS关系的研究主要针对被子植物（Beaulieu等人，2008；Lomax等人，2014；Masterson，1994），因为缺乏多倍体现象的相关数据。
结论
利用已建立的保卫细胞长度（GCL）与基因组大小（GS）之间的正相关关系，我们估计了来自西藏南部晚始新世Markam植物群和中中新世Namling植物群的硬叶栎属化石的基因组大小，以及来自中国云南的三个晚更新世植物群的基因组大小。我们的分析表明，Namling化石可能经历了中中新世的多倍体化事件。这些高海拔地区的四倍体植物的发现为古多倍体现象提供了有力的化石证据。
CRediT作者贡献声明
Jin-Jin Hu：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论、研究设计、资金获取、数据管理、概念构思。
Wen-Guang Sun：撰写 – 审稿与编辑、方法论、研究设计、数据管理。
Jia Liu：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证。
Robert A. Spicer：撰写 – 审稿与编辑、验证。
Zhuo Zhou：撰写 – 审稿与编辑、资源获取、资金获取。
Yong-Jiang Huang：撰写 – 审稿与
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢Min Deng、Yang Yang、Yan Wang、Xin Yao、Shui-Qing Liang和Xiang-Guang Ma在收集现存样本方面的帮助，感谢Chun-Min Mao、Jin-Shuai Huang和Hao Fu在现存样本角质层制备方面的帮助，以及Lu Sun和Shu-Feng Li在数据分析方面的协助。同时，我们也感谢昆明植物研究所植物多维成像与多样性分析平台的Zhijia Gu在扫描电子显微镜（SEM）技术支持方面的帮助。
