在全球气候变暖和干旱化加剧的背景下，理解植物如何适应极端生境已成为生物多样性与进化生物学研究的重要前沿问题。肉质化是植物应对干旱的关键创新性状之一，在不同植物类群中多次独立出现，但对于肉质化形成的遗传基础及环境驱动机制，长期以来仍缺乏系统认识。葡萄科葡萄瓮属（Cyphostemma）约有200种，广泛分布于撒哈拉以南非洲及马达加斯加地区，生境涵盖热带雨林、稀树草原、石灰岩山地乃至沙漠等环境。该属同时包含非肉质和高度肉质化的物种，且肉质化程度与生境干旱化水平密切相关，为研究植物耐旱适应性与肉质化演化提供了理想模型。

基于全球范围内的广泛采样，中国科学院植物研究所植物大数据与生物多样性保护研究团队整合基因组学、生态学和形态学等多维证据，解析了葡萄瓮属植物适应干旱环境的遗传基础与生态机制。研究团队首先构建了葡萄瓮属的高分辨率系统发生框架，并重建了其生物地理历史。结果显示，葡萄瓮属四大主要支系在始新世完成快速分化，随着渐新世全球气候变冷、干旱程度加剧，肉质化耐旱类群在不同支系中集中出现。

在此基础上，研究人员分别选取了生活在湿润与极端干旱生境的两种葡萄瓮属代表植物，分布于亚洲雨林的攀援藤本植物德宏葡萄瓮（C. dehongense）和生长于非洲纳米布沙漠的肉质灌木柯氏葡萄瓮（C. currorii），完成了高质量染色体水平基因组组装和比较分析。研究发现，长末端重复逆转录转座子（long terminal repeat retrotransposons，LTR-RT）在葡萄瓮属辐射演化过程中发生了显著扩增。其中，部分具有内含子插入偏好的LTR-RT谱系（以Ale家族为主）显著促进了内含子扩张，使葡萄科尤其是葡萄瓮属物种中超长内含子的比例显著高于其他超蔷薇类植物。

进一步分析表明，富集于内含子的LTR-RT元件具有较高的更新速率，能够持续为基因组提供新的遗传变异，并可能通过影响DNA修复和细胞周期调控相关基因的功能，促进肉质化性状的形成。值得注意的是，这些内含子偏好型LTR-RT谱系的快速分化与葡萄瓮属进入干旱生境并发生适应性进化的时间高度吻合，提示其可能与创新性状的形成密切相关。结合环境因子和基因组大小数据，研究人员进一步发现，基因间区的LTR-RT扩增推动了肉质化葡萄瓮属物种基因组的整体扩张，这与干旱和季节性生境显著相关。

本研究从宏观进化与基因组动态相结合的视角，揭示了葡萄瓮属演化过程中基因组LTR-RT活动与环境变化之间的协同作用。其中，LTR-RT元件的随机活动可能通过增强基因组可进化性（evolvability），为肉质化等关键创新性状的演化提供遗传基础。该研究深化了我们对植物干旱适应机制的认识，并为理解全球气候变化背景下植物的适应性演化提供了新见解。

相关研究成果于6月8日在线发表于国际学术期刊Nature Communications。植物所博士研究生虞近人为论文第一作者，鲁丽敏研究员为通讯作者。植物所陈之端研究员、董阳研究员、李朝斌研究员、特别研究助理程劼、Romer Narindra Rabarijaona博士，英国皇家植物园邱园Ilia J. Leitch教授、Alexandre Antonelli教授，澳大利亚悉尼皇家植物园Russell Barrett教授，塔那那利佛大学Rindra Manasoa Ranaivoson博士参与了该项工作。本研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院国际人才计划等项目资助。

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-026-74005-z

研究使用的葡萄瓮属代表物种。左为德宏隆花藤（C. dehongense），右为柯氏葡萄瓮（C. currorii）。图片版权：鲁丽敏、Patemoshela Kashikola

葡萄瓮属物种基因组大小演化模式及基因组重复序列组成

柯氏葡萄瓮中，LTR-RT元件插入内含子导致的基因表达和功能变化