Nature | 徐洛浩/刘海平合作揭示脊椎动物再二倍化机制

在脊椎动物漫长的演化历程中，全基因组加倍（whole-genome duplication，WGD）事件曾多次发生。当基因组发生加倍后，生物体并不会一直保持多倍体，它们通常会缓慢恢复为类似二倍体的遗传方式，这一过程被称为“再二倍化”（rediploidization）。在此过程中，原本的四个等位基因逐渐分化为两对重复基因（ohnologs），并在功能上产生新的分工，被认为是脊椎动物乃至真核生物复杂性演化的重要来源。

尽管再二倍化的重要性已被广泛认知，但由于缺乏合适的研究模型，再二倍化的早期演化机制，一直是生命科学研究领域长期悬而未决的科学难题。前期研究依赖于古老的多倍体类群，如鲑鱼或鲟鱼，但其多倍化事件发生年代过于久远，难以用来解析其早期动态过程和关键细节。

2026年4月22日，西南大学徐洛浩教授、刘海平教授与Axel Meyer教授联合团队在Nature发表题为Chromosomal fusions trigger rediploidization of autopolyploid genomes的研究论文。该研究针对一类生活在青藏高原的特有鱼类，展开基因组学与细胞遗传学研究，揭示了染色体融合触发脊椎动物基因组再二倍化的机制，为理解早期脊椎动物演化提供重要证据，填补了该领域长期以来的研究空白。

裂腹鱼是生活在青藏高原周边地区的一种特有鱼类。该类群约在3000万年前发生过一次全基因组加倍，形成同源四倍体，是目前较为年轻的同源多倍体类群之一。研究团队系统调查了裂腹鱼类 11属的代表性物种，发现多数物种为同源四倍体，个别物种为同源六倍体，甚至还发现了一个二十倍体的极端案例。为更好地解析其多倍体遗传规律，研究团队对其中一种鱼类拉萨裸裂尻鱼，构建了家系，并进行了长读长测序，同时开发了基因组组装新方法，成功组装获得90条染色体，涵盖四个单倍型，为研究再二倍化过程提供了精细的基因组框架。

研究团队发现基因组中存在5组染色体融合事件，使染色体数量由 4N=100减少到4N=90。更重要的是，这些融合呈现出一种特殊模式：不对称染色体融合，即在四条同源染色体中，只有两条发生融合（命名为f拷贝），而另外两条保持原状（命名为uf拷贝）。这种结构变化带来了一个重要后果，其中融合染色体与未融合染色体之间产生重组抑制，并逐渐形成偏好配对（preferential pairing）。研究团队通过单倍型间的Ks值计算以及树型统计，明确了这部分染色体的遗传方式由“四体遗传”向“二体遗传”转变。群体基因组分析进一步表明，在涉及融合的染色体上，典型的AAaa 基因型比例显著升高，这一现象在48个野外样本中普遍存在，说明这种偏好配对在自然群体中稳定存在。

根据序列分歧程度，研究团队定义了三个再二倍化阶段（wave1-3），揭示了一个从早期到晚期的连续演化过程。这一连续的演化梯度也体现了脊椎动物二倍化的异步性特点。进一步分析发现，再二倍化在染色体内部也存在梯度变化。融合位点附近最先发生再二倍化，并沿染色体逐渐扩展。最早的染色体融合事件约发生在3000万年前，但染色体末端仍然保留四体遗传特征，提示这些区域的四价配对得到了一定程度的维持。

为了进一步理解再二倍化过程中染色体的行为，研究团队对减数分裂细胞进行了染色体铺展，并结合端粒和着丝粒标记进行观察。结果发现，一部分染色体呈现四体配对，而另一些则表现为二体配对。四价环是同源多倍体中最典型的配对形式。在这种结构中，四条染色体首尾相连配对，并在动粒微管牵引下呈现环形结构。除了四价体，同源四倍体还可以形成两个随机配对的二价体，其具体形态会受到着丝粒位置的影响。

此外，研究团队还观察到一种特殊的多价链结构，这种结构可能来源于融合染色体末端残留的四体遗传特征。融合染色体末端仍可与未融合染色体发生配对，从而形成类似四价，甚至六价结构。这种独特的配对模式，是染色体融合介导再二倍化过程的重要细胞遗传学特征。

在再二倍化过程中，原本相同的四个等位基因逐渐演化为两对重复基因（ohnologs）。 研究发现，融合染色体上的基因丢失更频繁，基因表达水平整体低于未融合染色体。这一现象类似于异源多倍体中常见的亚基因组显性（subgenome dominance）。由于演化模式是否对称常被用来区分同源多倍体和异源多倍体，这一结果提示，即使在同源多倍体中，也可能出现类似的偏向。因此，在判断多倍体类型及其演化模式时，需要更加谨慎。

裂腹鱼由于具有相对年轻的演化历史，为揭示再二倍化机制提供了难得的观测窗口。本研究表明，脊椎动物可以通过染色体融合驱动从“四体遗传”向“二体遗传”的转变，并以融合位点为起点沿染色体逐步扩展。值得注意的是，在脊椎动物祖先经历第一次全基因组复制（1R，同源多倍化）之后、第二次复制（2R）之前，至少发生了8次染色体融合。这一发现提示，染色体融合驱动再二倍化的模式可能是一种普遍存在的机制，并可能在约5亿年前介导了脊椎动物共同祖先的再二倍化过程。

未来对裂腹鱼的研究不仅有助于揭示多倍化与再二倍化等关键演化事件的历史过程，也有望为现代生物学研究提供新的视角。作为研究高倍性及生物极端环境适应的重要模型，裂腹鱼有望为理解高倍性基因组如何维持稳定性，以及生物如何在极端环境中实现适应等基础科学问题提供新的启发。

西南大学博士后解传帅，博士研究生马子突、马可馨以及周朝伟教授为共同第一作者，徐洛浩教授、刘海平教授与Axel Meyer教授为共同通讯作者。

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10439-1

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