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菱屬(Trapa L.)植物果實碩大、淀粉含量豐富，是一類具有重要經濟價值的水生植物，其栽培歷史達六千年以上。該屬植物原產于亞洲、非洲和歐洲，目前已入侵北美地區。我國蘊藏著豐富的菱屬野生與栽培種質資源，但其食用價值與遺傳潛力尚未得到充分挖掘，屬內物種分化機制及多倍體形成過程仍不明確。近年來，隨著氣候變化加劇與全球糧食安全形勢日益嚴峻，深入研究這類營養豐富、種質資源充足的“孤兒作物”，顯得尤為迫切。

基于細胞核與葉綠體的基因組信息，能夠全面獲取物種在核與質層面的遺傳變異信息，從而深入解析物種分化、多倍體起源、譜系關系、馴化歷史及入侵機制等關鍵科學問題。本研究基于來自亞洲和北美的229份菱屬種質材料(圖1)，結合全基因組重測序與果實形態分析，系統梳理了菱屬植物的物種進化關系，并在已知的AA和BB型基因組之外，首次揭示一類新的CC型基因組的存在。 在AA基因組類群中，研究明確將其劃分為長江流域和黑龍江流域兩個進化分支：所有栽培類群均為AA型基因組，且均起源于長江流域，而入侵北美的二倍體物種(T. natans，AA型)則源自黑龍江流域。對于BB基因組類群，盡管《Flora of China》(英文版《中國植物志》)將細果野菱(T. maximowiczii)和四角刻葉菱(T. incisa)合并為一種，但基于花色、果實形態、遺傳信息及地理分布等多方面證據，本研究支持仍將其劃分為兩個獨立的物種。

在四倍體起源方面，研究發現亞洲與北美的四倍體雖均為異源多倍體，卻具有截然不同的進化歷程。亞洲四倍體(AABB)的母本為長江流域的AA型物種，父本為來自黃河–長江流域的T. maximowiczii(BB型)。而北美四倍體菱(T. bispinosa var. linumai)的母本為一類古老的AA物種，父本則是一種與已知的AA和BB基因組均存在明顯遺傳分化的物種(推定為“CC”型)，推測北美四倍體基因組為AACC型(圖2)。

圖1：菱屬果實形態與采樣點分布

圖2：菱屬植物基因型及多倍化過程概況

該研究為揭示菱屬進化歷史、多倍化事件及入侵來源提供了關鍵見解，也為有效保護與可持續利用這一未被充分開發的水生植物資源奠定了遺傳學基礎。相關成果近日以“Genomic resequencing unravels species differentiation and polyploid origins in the aquatic plant genusTrapa”為題，發表于國際學術期刊The Plant Journal。

中國科學院武漢植物園特別研究助理樊香絨博士與已畢業博士曲明昊為論文共同第一作者，陳媛媛副研究員和高磊研究員為共同通訊作者。美國喬治梅森大學Nancy Rybicki教授、美國陸軍工程師研究與發展中心Lynde L. Dodd博士及喬治華盛頓大學閔捷博士參與了研究工作，并對論文修改提出了寶貴建議。研究得到了國家自然科學基金和湖北省自然科學基金創新群體等項目的資助。