植物变异,JIPB | 刘建全教授特邀综述：植物环境适应性进化的遗传变异

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植物环境适应性进化的遗传变异

植物通过自然或人工选择的优化表型来适应特定环境。随着基因组学和计算生物学的快速发展，表型与多组学数据的快速结合，促进了对植物适应性进化过程中关键基因与等位变异的挖掘，加深了植物怎样应对非生物和生物胁迫分子机制的理解。本文综述了近年来植物形态性状和胁迫响应差异的遗传变异基础等研究进展，重点总结了编码区、非编码区等位变异怎样驱动植物品种/种群/生态型对不同环境的适应，以及可能导致的亚种及新物种形成。此外，在植物登陆和早期物种多样化过程中，通过水平基因转移和全基因组加倍获得了大量新基因，这些新基因的积累促进了复杂分子调控网络的发展，增强了植物对多样性变化环境的适应能力。最后，本文还讨论了环境适应性优异等位基因鉴定与利用的发展前景，以期为应对全球气候变化背景下的作物育种提供理论基础与实践指导。

Hou, J., Liu, M., Yang, K., Liu, B., Liu, H., and Liu, J. (2025). Genetic variation for adaptive evolution in response to changed environments in plants.J. Integr. Plant Biol. 00: 1–29.关键词

适应性进化，遗传变异，等位基因，形态学性状，非生物胁迫，生物胁迫

植物的适应性进化，正如《爱丽丝梦游仙境》中红皇后所说：“必须竭尽全力奔跑，才能在‘环境变化背景下’勉强留在原地”。每个植物物种内部的遗传变异为其适应多样化环境提供了基础，保障了其在自然环境中的现有分布，或在人工条件下的成功栽培与进一步推广。尽管自达尔文时代以来（Darwin，1859），人们已经观察到植物在环境适应过程中表型的多样性变化，但其背后的分子机制直到近年才逐渐清楚。分布或栽培相对广泛的物种，如拟南芥、水稻、小麦、玉米、油菜和大豆等，是从进化视角研究植物环境适应分子机制的理想模型。在解析植物环境适应性的关键基因时，传统的基因定位克隆法周期长、效率低、人力成本高。基于基因组数据的生物信息学工具显著提升了基因定位效率，如数量性状位点（QTL）定位、全基因组关联分析（GWAS）、表观基因组关联分析（EWAS）、环境基因组关联分析（eGWAS）、代谢组-全基因组关联分析（mGWAS）以及转录组关联分析（TWAS）等，为解析环境适应性复杂性状的分子遗传机制提供了有力手段。例如，拟南芥基因组数据库涵盖了来自不同环境1000多个来源的地方分布型（种群），为研究植物响应环境变化的适应性分子机制奠定了坚实的数据基础。近期发布了多个物种的泛基因组数据，也进一步推动了上述研究方法在环境表型变化所涉及主效基因及其等位结构变异的鉴定。随着基因组测序数据和全球环境数据广泛共享，植物环境适应性主效基因、等位变异及其分子机制的挖掘与解析，变得日益高效和更加深入。

本综述旨在系统梳理遗传变异怎样调控种级水平自然选择或人工选择下的环境适应性。首先是植物怎样通过等位变异进化出适应不同环境的形态性状，例如株高、分枝、叶形、种子大小、种子休眠和开花时间等。其次，植物怎样利用遗传变异来调节生物和非生物胁迫的信号传导通路，从而能够在变化环境中维持生存或满足人类对作物性状的需求。第三是响应历史地质环境变化过程中物种多样化过程的研究进展。最后，展望了该领域的未来研究前景，并探讨了这一研究领域在作物育种中的应用潜力和发展趋势。

形态性状

植物不同的功能性状之间既存在协同作用，也存在权衡关系。在长期的自然与人工选择压力下，不...状共同塑造了表型组合，使植物占据最优生态位，适应特定的生长环境。深入挖掘这些功能性状相关的主效基因及其等位变异（见图1和表1），不仅有助于对植物形态适应机制的理解，也为利用分子育种技术培育优良作物品种提供了理论基础与技术支持。

株高

株型结构通过影响植物的光合作用、资源获取和繁殖策略，最终决定植物的地理分布格局以及作物在不同环境下的产量和质量。许多高山植物会矮化以适应高海拔环境，例如生长于瑞士阿尔卑斯山高海拔地区的模式植物拟南芥普遍植株矮小。株高主要由GID1-GA-DELLA赤霉素（GA）信号通路调控，介导其自然变异的大多数基因均位于该信号通路中。其中最主要的因素是GA20氧化酶基因的等位变异。该酶是赤霉素（GA）生物合成通路中的关键酶，催化GA生物合成途径中的倒数第二步反应，直接影响赤霉素的含量。不同物种间株高差异的调控与GA20氧化酶的遗传变异密切相关，进而影响植物的生长特性和适应性（见图1A）。GA20ox1基因（也称为GA5）的天然单核苷酸缺失导致基因功能丧失，植物激素GA的积累水平改变，最终导致了植株的矮化表型。此外，该基因的等位变异已会响应环境差异而引发植物株高的进一步变化。在拟南芥中，DELLA蛋白与赤霉素受体相互作用，是赤霉素信号通路的负调控因子。因此，许多转录因子（如GRFs）的等位变异也可能通过改变自身表达水平，影响与DELLA蛋白的互作关系，从而调节赤霉素信号传导，介导植物株高的变化。水稻SD1基因与拟南芥GA20ox1基因同源，编码赤霉素生物合成通路中的关键酶GA20氧化酶，是株高调控的重要正调控因子。SD1基因内含子与外显子序列中存在多种自然等位变异，目前已广泛用于矮秆水稻品种的选育，增强了抗倒伏能力，这一策略在绿色革命期间发挥了关键作用。此外，大麦中SD1同源基因的等位变异也会导致株高变化。

除SD1外，水稻中还存在多个调控株高的基因及其等位变异。D35基因编码参与赤霉素生物合成途径的ent-kaurene氧化酶；SBI基因属于GA2ox基因家族，编码赤霉素2-氧化酶，能够通过降低基部节间中活性赤霉素的含量来负调控水稻株高，从而在生境变化时抑制节间伸长。此外，BRD2基因编码一种FAD依赖型氧化还原酶，参与油菜素内酯的生物合成过程。该蛋白通过减少节间纵向切面的细胞数量调控水稻株高，也能够影响细胞膨胀参与籽粒大小的调节，该基因的等位变异与不同品种水稻株高差异显著相关。类似地，在小麦中，GA激素信号通路相关基因的等位变异也与植物株高的变化有关，包括与DELLA蛋白相关的基因，如Rht-A1a、Rht-B1a和Rht-D1a。其中，Rht-B1a和Rht-D1a的突变分别产生了矮化等位基因Rht-B1b（Rht1）和Rht-D1b（Rht2），使植株对赤霉素信号不敏感，导致节间伸长受到抑制，从而形成稳定的半矮秆性状，在绿色革命时期极大地提升了小麦的抗倒伏性和产量潜力。来源于野生二粒小麦GA2oxA13基因的矮化等位变异，编码一种赤霉素氧化酶，存在于全球范围内超过70%小麦种质资源中（超过1000份材料），表明该等位变异在育种过程中因其对株高调控的重要作用而受到持续的强烈人工选择。小麦Rht8编码具有核糖核酸酶H样结构域的蛋白并调控赤霉素生物合成，其等位变异也会导致株高变化。对628份中国小麦材料的分析中发现，243份含有矮化Rht8等位基因，主要分布在温暖干燥的环境中。此外，BBX24是梨B-box（BBX）转录因子家族成员的一员，调控花青素积累和株高。BBX24的移码变异导致B-box翻译提前终止，上调GA2ox8表达，降低体内活性GA水平，导致梨树出现矮化表型。总之，植物在应对环境变化过程中，同一物种表现出的株高多样性，主要由与赤霉素生物合成及信号传导相关同源基因的等位变异所调控。

分蘖数量

除了株高之外，分蘖数作为影响株型的重要农艺性状，在植物对环境适应性建构以及高产作物培育过程中也发挥着关键作用。BRC1是拟南芥中的一种TCP转录因子，直接激活关键的脱落酸（、ABA）生物合成基因的表达，并整合了包括独脚金内酯（、SL）、ABA、GA和油菜素内酯（、BR）在内的多种植物激素信号传导通路，以调节分枝数量。小麦TN1编码一种含有ankyrin repeat结构域的蛋白，能够抑制ABA的生物合成及其信号传导，从而解除对分蘖芽生长的抑制作用，促进分蘖形成。水稻MOC1是分蘖调控的中枢因子，编码一种可能的GRAS家族核蛋白。MOC1通过整合独脚金内酯、生长素和细胞分裂素等多种激素信号通路，调控腋芽的起始和生长，进而决定水稻分蘖表型。

水稻IPA1基因编码一个SQUAMOSA启动子结合蛋白的转录因子，也称为OsSPL14。其通过整合赤霉素、独脚金内酯和生长素在内的多种植物激素信号通路，协调调控植株分蘖和株高发育，形成“理想株型”。水稻中调控分蘖相关激素的转录因子还包括MOC3、LAXPANICLE1（LAX1）和LAX2/GNP4。参与独脚金内酯和其他激素途径的基因，如D3、D10、D14和D53，也调控水稻的分蘖。玉米（Zeamays）TB1基因是其分蘖和分枝表型变化的主效基因。玉米TB1与拟南芥中BRC1基因同源，二者都属于TCP家族转录因子，参与独脚金内酯激素途径，但其表达受到生长素的负调控。TB1通过调控细胞分裂素生物合成相关基因的表达，整合多种激素途径，影响玉米的分枝结构。与野生祖先亚种小颖大刍草相比，玉米TB1基因中存在一个转座子插入，从而增强了其表达水平，形成了与具有大量分枝的小颖大刍草截然不同的单茎杆、高产表型。

在水稻中，不同品种间IPA1基因上游区域的串联重复序列变异会改变周围异染色质对该基因的表观遗传抑制，导致分蘖数和产量的差异。TN1基因编码一个同时具有BAH和RRM结构域的蛋白质，通过影响独脚金内酯信号传导途径中关键基因D14的转录，负调控水稻的分蘖数和穗数。TN1外显子区域的单核苷酸多态性（SNPs）会影响分蘖数。尽管这些TN1等位变异在多个水稻亚群（尤其是东亚和东南亚地区）中普遍存在，但在过去的水稻驯化过程中、并未受到人工选择。在大豆中，Dt2编码一种GRAS家族的转录因子，通过整合独脚金内酯和赤霉素激素途径来调控株型。Dt2启动子区SNPs导致的单倍型导致分枝数量变化，并与纬度变异相关；因此，纬度在分枝数表型及相关单倍型的自然选择中发挥了关键作用。综上，植物分蘖数受多种植物激素及关键基因等位变异的共同调控，尤其是这些激素信号通路的核心调控因子的等位变异，共同促进了种内分枝的多样性。此外，分蘖数与株高通常呈负相关关系，二者间的协同调控对于植物形成适应不同环境的“理想株型”至关重要。不同物种间分枝数的自然变异，取决于各激素信号通路中关键基因的等位变异，这些变异通过影响激素合成和信号传导，进而调控分枝发育和植物的环境适应性（见图1B）。

种子大小和重量

作为植物生命周期中的移动阶段，种子的形态特征与传播能力密切相关。种子较大的物种通常分布于能量需求（如高海拔）较高的地理区域。而种子较小物种往往占据萌发等需求能量较低（如低海拔）的栖息地，且种子数量增加能够提高物种的存活率及成功传播至适宜栖息地的可能性。植物激素（如细胞分裂素）通过调控细胞周期和分裂过程影响种子的大小和重量，而大多数有关的关键基因及其等位变异均参与这些激素信号通路的调控（见图1C）。在拟南芥中，CYCB14基因编码一种B型细胞周期蛋白，通过与CDKB相互作用调控G2/M期转换。该基因对有丝分裂进程至关重要，其功能缺失会导致根分生组织的细胞分裂缺陷，进而影响植物生长，不同生态型间该基因的等位变异是造成种子自然表型差异的重要原因。此外，拟南芥不同生态型间种子大小与重量的自然变异，与SSW1基因（属于DNA损伤应答调控因子家族）的自然等位变异显著相关。SSW1基因还通过协调不同地理区域的氮利用效率调节胚珠外珠被细胞的增殖。对农作物而言，种子大小还是决定产量的关键农艺性状之一。

在水稻中，近期已鉴定出多个影响不同品种及不同环境下种子表型的关键基因。GS2编码一个GRAS家族的转录激活因子，通过促进细胞分裂和扩张正向调控水稻籽粒大小。在部分水稻栽培品种中，GS2编码区发现了两个碱基替换能够显著增加籽粒大小并提高产量。水稻TGW2的一个启动子区变异可降低自身转录水平，在不影响其他农艺性状的前提下增加籽粒大小和产量。TGW2基因编码一个定位于细胞壁的糖转运蛋白，属于PLATZ家族的转录因子。该蛋白与细胞周期调节因子KRP1互作，负向调控籽粒宽度和重量。GSE5基因编码一个定位于质膜具有IQ结构域（IQdomains,IQD）的蛋白，通过限制细胞增殖来调控籽粒宽度。该基因启动子区的等位变异导致不同栽培品种之间大小粒分化；这些等位基因起源于野生稻群体，并在驯化过程中选择保留。其他通过编码区变异调控水稻粒型的基因，包括编码RING结构域E3泛素连接酶的SMS2和编码植物特异性G蛋白γ亚基的GSW3基因。

在小麦中，GW2-6A、bHLH489和MADS-GS等基因的等位变异能够调控品种在不同环境下的籽粒大小变化。大豆ST05基因编码一个特有的非特异性脂质转移蛋白（nsLTP）；该蛋白正向调控种子大小：来自高纬度品种ST05启动子区域的等位变异，能提高种子油脂和蛋白质含量，从而产生比低纬度品种更大的种子。大豆另一个正调控种子大小的基因SSS1，编码蔗糖合成酶（SUS）；在部分栽培品种中，当其编码区第182位的谷氨酸被谷氨酰胺取代时，会进一步增强对种子重量的调控作用。β-1,3-葡萄糖苷酶基因HSW是栽培大豆与野生祖先种子大小差异的重要决定因子。一段14-bp缺失导致移码突变和提前终止密码子形成，使栽培种中该基因丧失了野生型原有的糖基水解酶活性，但获得了促进种子增大的功能；该等位变异在驯化过程中受到了强烈的人工选择。此外，在西瓜中还发现了关键基因（包括编码F-box蛋白、蛋白激酶和锌指蛋白基因）SNPs等位变异与种子大小相关。在番茄中，POS1内含子区37bp重复序列的拷贝数变异，导致其在品种之间的差异表达和种子大小的变化。这些研究表明，来自细胞增殖等多条通路的关键基因及其等位变异，均可影响种子大小和重量变化。这些调控种子形态关键遗传因子的鉴定，为解析这一种子重要农艺性状的分子机制提供了重要依据。

种子休眠与萌发

种子休眠和萌发是种子植物高度适应性的生存策略，使其能以最低生理代价在适宜栖息地中生长、并规避气候胁迫，从而提升生存率和产生更多后代。适时萌发不仅影响植物生存和各类性状表达，还会改变种群动态和进化潜力。过早或过晚萌发均可能降低育性，甚至导致繁殖失败。决定种子进入休眠或启动萌发是受ABA和GA之间相互拮抗的调控机制所控制的，这一机制类似于一个双稳态开关。ABA诱导并维持种子休眠，而GA则促进萌发；休眠和萌发时空变异，主要是由这两种激素生物合成途径和信号传导过程中关键基因的等位变异所导致的（见图1D）。

在拟南芥中，基因DOG1编码一个富含亮氨酸重复序列（LRR）的蛋白质；该蛋白通过刺激胚胎中的ABA信号通路，并调控其从胚乳中释放的休眠机制，对种子休眠起关键作用。相反，赤霉素促进水解酶的产生，这些酶可以分解限制性组织，如胚乳或种皮，从而打破休眠状态。在潮湿寒冷环境条件下，赤霉素水平的升高对解除种子休眠具有显著效果。以赤霉素生物合成关键基因GA3ox2为例，其在种子接近成熟时的转录水平可急剧升高达40倍。在拟南芥全球生态型中鉴定出两大主要DOG1单倍型类群：一类生态型需要经历长期低温（春化作用）以解除种子休眠，表现为冬季一年生的生长模式；另一类对低温需求较低，可在春秋两季萌发，表现出更快速的生命周期。此外，赤霉素失活酶编码基因GA2ox1的启动子区序列变异，导致其在休眠性强的拟南芥生态型（如佛得角群岛Cvi生态型）中表达水平升高。

在水稻中，基因SDR3.1通过抑制ABA信号转导的关键调控因子ABI5的转录活性来调控种子休眠。SDR3.1等位变异导致籼稻与粳稻两个栽培亚种间出现休眠强度差异：籼稻比粳稻具有更强的休眠性。另一个转录因子GF14h作为保守的14-3-3蛋白家族成员，通过与转录因子HOX3和VP1的互作，平衡ABA信号传导和GA生物合成，从而提高杂草稻的厌氧萌发和成苗能力。适应深水环境的杂草稻及水稻祖先种GF14h单倍型（等位变异或等位基因），在广泛栽培的温带粳稻品种中已丢失；取而代之的是功能部分缺失的相应等位变异。水稻SD6编码CCCH型锌指转录因子，通过调节ABA代谢负调控种子休眠、。栽培稻品种中普遍选择的是弱休眠型SD6等位基因，而强休眠型等位基因则主要保留在祖先种中。通过选择或基因编辑引入强休眠型SD6等位基因，有望增强栽培稻的种子休眠性，从而防止成熟穗在梅雨季节的稻谷过早发芽问题。

除受激素互作调控的生理性种子休眠与萌发外，涉及种皮发育和水分吸收的物理性休眠研究相对较少。这类休眠在系统发育上最为保守，认为是环境特化的最佳适应机制。菜豆的果胶乙酰酯酶-8基因与物理休眠期间种皮的通透性有关。在栽培菜豆中，该基因的功能缺失突变，会增加成熟种皮中可溶性果胶的乙酰化程度，促进种子吸水后膨胀，加速种子萌发。然而，功能完整的等位基因仍保留在祖先菜豆群体中，导致种子的长时间物理休眠。栽培与野生豆类群体间的等位基因分化，与其所处生长环境的差异密切相关，反映了驯化过程和人工选择的影响。关于种子的生理和物理性休眠与萌发的关键基因、等位变异和分子机制的研究表明，核心调控因子以及结构基因中的等位变异，共同构成了维持种子休眠与萌发多样性的遗传基础。这些遗传资源对于选育优良作物品种（包括提升抗穗发芽特性）的等位基因选择至关重要。

开花时间

开花标志着植物从营养生长向生殖生长的转变，与种子萌发类似，是植物适应多样化环境的关键生活史策略。植物开花时间的调控涉及多条遗传途径，最终汇聚到开花整合因子FT、SOC1和LFY上。这一过程涉及春化、光周期、温度感知、激素互作以及衰老等相关信号。然而，对植物种内开花时间变异的研究表明，其主要是由开花核心抑制因子FLC和开花整合因子基因的等位变异所决定（见图1E）。FLC基因编码MADS-box转录抑制因子，是调控开花时间的核心基因。表观遗传修饰也在开花适应中发挥重要作用。春化需求是导致拟南芥开花时间自然变异的主要因素。FLC是春化途径的关键基因：其一直高表达抑制开花，直至低温诱导其表观遗传沉默后，才能解除这种抑制。FRI基因编码一种维持FLC高表达水平的支架蛋白，是决定春化需求的关键基因。拟南芥FRI基因功能缺失，在自然界可能受到反复的多次正选择，目前已鉴定出改变FRI蛋白功能的突变。FRI等位变异对拟南芥自然状态下开花时间的变化贡献超过70%。

对伊比利亚半岛海拔0至2600米范围内的182个拟南芥个体的研究显示，开花时间差异主要与FRI和FLC基因的等位变异相关。拟南芥FRI等位基因的功能差异决定了是否需要春化，而FLC的变异则影响春化需求的强度。例如，位于FLC5′端附近的四个非编码SNP等位变异，通过定量调控PRC2介导的表观遗传沉默，影响达到临界H3K27me3水平所需的时间。FLC内含子区域的SNP等位变异，还会改变剪接位点的选择，从而调控其反义转录本COOLAIR的二级结构——该转录本通过共转录机制调控FLC的表达水平。在荠菜中，FLC的5′非翻译区的两个独立缺失突变和一个剪接位点突变也导致开花时间的变化。

此外，拟南芥不同生态型中FLC转录起始位点的等位变异也引起表达量的改变，导致开花时间的变化。拟南芥SSF是FLC的正向调控因子，编码一个C2H2锌指转录因子，作为FRI复合体的关键组分激活FLC表达。SSF存在两种等位变异类型：一种在较寒冷的气候中延迟开花；而另一种促进提前开花以适应较温和的环境。拟南芥SVP基因编码温度敏感的MADS-box转录因子，在开花时间和花器官发育中发挥双重作用；其功能缺失的等位突变，可促进南方湿润生境中的早花表型。

作为短日照植物，大豆必须通过遗传变异克服光周期敏感性，以适应高纬度环境。大豆的E1-E4基因构成了一个光周期信号级联通路：E3/E4光敏色素感知光信号，E2传递昼夜节律信息，而含有B3结构域的E1蛋白作为核心抑制因子阻遏FT表达。E1在决定开花时间对日长的敏感性中起主导作用。来自E1、E2、E3和E4基因的不同等位基因组合，可解释栽培大豆品种中62-66%的开花时间变异；且这些变异与纬度适应性密切相关。在高纬度栽培大豆中，控制生长周期和适应性的关键基因包括E2、E1Lb、Tof11和Tof12；这些基因的功能缺失等位变异赋予栽培大豆早花特性，从而增强高纬度适应性。

而大豆的低纬度适应性主要依赖于关键基因J和Tof16的等位变异；大豆Tof16是拟南芥ELF3的同源基因，编码生物钟晚间复合体的核心组分，通过整合光周期和温度信号调控GmFT的表达，影响开花时间。J基因（GmELF3同源基因）是在长日照条件下开花的关键抑制因子，位于E1/E3/E4通路下游，抑制GmFT的表达。低纬度地区超过80%的大豆品种在这两个基因上携带功能缺失等位变异。tof16和j的等位突变，导致开花重要抑制基因E1的阻遏作用丧失，从而延迟开花。此外，对其他植物物种的进化研究也鉴定出调控开花时间的关键基因及等位变异，例如桦木科虎榛子属和鹅耳枥属。LHY、PIE1、CRY1和PHYE等基因的等位变异，导致近缘物种因纬度分布差异而产生开花时间分化。同一开花途径中的基因可能经历了平行进化，不同纬度环境下选择优势等位基因，最终导致开花时间差异并促进种间生殖隔离。总体而言，开花时间由内源信号和环境因子共同决定，其精确调控是适应环境的关键适合度性状，影响作物产量，同时也是物种间合子前生殖隔离的重要机制。

叶形态

叶片性状，如重量、厚度、长度、宽度及其比例，以及与茎的夹角，能够直接关联光合碳固定能力、生物量积累和胁迫耐受性，对植物的环境适应至关重要。。叶片性状的差异存在于种间和种内，体现了植物适应多样环境的强大可塑性。叶片特征的变异受复杂遗传网络调控，该网络由参与细胞增殖和激素信号通路的多个基因构成。解析控制叶片形态与生理的遗传分子机制，对理解植物在不同环境下的适应、生长及生产力具有重要意义。近期研究揭示了多环境下物种或物种复合体内叶片形态关键基因的自然等位变异（见图1F）。例如，在拟南芥中，转录因子SVP通过靶向调控细胞增殖相关基因负调控叶片大小；其编码区的非同义突变可导致功能缺失，使适应湿润地区的生态型产生更大叶片。禾谷类作物中，上位叶片形态与角度的优化可显著提高冠层光能利用效率，进而增加产量。水稻旗叶通过向籽粒输送碳水化合物直接影响粒型与产量。WLG基因编码RING-H2型E3泛素连接酶，通过细胞分裂素途径中LARGE2蛋白的稳定性调控叶宽和粒宽；WLG编码区的等位变异形成了两种呈现纬度梯度分别的单倍型：其中一种能增强与LARGE2的互作强度，导致旗叶和籽粒增宽。此外，两个40S核糖体蛋白基因的拷贝数变异，通过改变RP基因和生长素相关基因表达水平，导致叶宽表型差异。

玉米编码SPL转录因子LIG1基因的功能缺失等位突变，能够减小叶舌角度和提高产量。类似调控叶片形状变异关键基因的等位变异也发生在其他非模式的近缘物种中。例如杨属物种间，CUC2基因（编码NAC家族转录因子）调控区的结构变异影响叶片锯齿程度的种间差异；这些等位（或直系同源）变异可增强或减弱CUC2表达，从而调控锯齿发育（Shi et al., 2024）。此外，杨树YABBY11是YABBY家族转录因子，调控叶片极性和侧生器官发育；YABBY11基因的等位（直系同源）变异，是导致近缘杨树物种间叶缘锯齿和大小差异的关键因素（Liu et al., 2023）。总之，这些研究发现共同展示了叶片形态复杂遗传调控网络在植物环境适应中的重要作用。

图1 | 控制植物适应环境重要形态性状的关键基因这些关键基因的等位变异导致多种植物功能性状的表型差异，包括种子形态、株高、种子休眠、开花时间、叶片特征及分蘖数等。图中微型图标分别代表拟南芥、水稻、小麦和大豆。箭头标示特定表型改变的进化意义。其他性状的适应性进化

除了上述性状之外，植物还可以通过遗传变异来改变其他形态特征以适应多样环境。在玉米中，甲基化相关基因ZMET2的3'UTR中一个10bp插入缺失通过影响CHG甲基化水平来调控苞片层数。在番茄驯化过程中，Style2.1和SE3.1基因的等位变化，促进了其自花授粉。与野生种番茄相比，这种自花授粉依赖于特有的"闭合花药筒"结构，确保花粉与柱头接触；三个HD-ZIP相关基因的等位变异，触发了花药筒交错毛状体的形成，并调控柱头长度；同时影响下游基因Style2.1的表达，共同促进了其物理解剖学结构上自交优良性状的形成。

在棉花中，红色花瓣相关基因RPRS1启动子区的等位变异改变其转录活性，导致不同生态型花青素积累与花色差异。草莓MYB10基因中的转座子插入截断了MYB10转录因子，抑制了花青素的合成并导致果实呈白色。在苹果中，NAC18编码区的自然变异影响其与靶基因MdACO1、MdARF5和MdNAC18的结合亲和力，从而影响果实成熟周期。MMK2基因第四个内含子中插入一个LTR/Gypsy转座元件会破坏非编码RNA的调控，进而影响果皮颜色。在花生中，TFL1、LAC和MADS-box基因突变分别与开花模式、种皮颜色和生长习性显著相关。茄科植物（如茄子近缘种）中，细胞分裂素合成基因LOG家族的突变是刺发育的关键调控因子。敲除这些基因可特异性消除刺状结构，且无其他表型副作用。跨物种比较显示，刺的多次独立丢失均与LOG基因突变相关，表明刺的趋同进化机制。该发现为作物（食用/观赏）无刺化育种提供了精准靶点。这一发现深化了我们对植物形态建成的认知，同时为通过基因工程创制新性状提供了参考。

非生物和生物胁迫

植物在自然环境中面临多种胁迫，这些胁迫对其生长与存活造成显著影响。在人类活动加剧与气候变化加速的背景下，这些挑战日益严峻，包括极端温度、干旱、洪涝及土壤盐碱化等。深入理解植物怎样适应这些复杂环境条件，对于提升作物的抗逆能力具有重要意义。近年来在植物物种或物种复合体内，等位变异怎样调控胁迫适应性进化取得了大量研究进展；这里重点针对低温、高温、干旱、水淹诱导缺氧、盐碱胁迫及生物胁迫的适应性进化研究进行总结（见图2和表1）。

冷适应

温带植物具有较强的耐寒能力。在适应温度变化的过程中，植物会通过选择最优的等位基因，诱导一系列生理调节机制以维持其生存。由于纬度差异造成的温度变化，常常在物种内部形成具有显著冻害耐受差异的不同生态型。冷驯化涉及多个关键途径相关基因的调控，这些基因参与信号转导、抗冻保护、渗透调节、膜流动性、激素信号、光合作用与能量代谢，以及表观遗传和转录后调控机制。这些通路中的多个关键基因（如ICE1-CBF-COR模块与MAPK信号通路）发现存在明显的等位变异，从而显著影响一个植物物种对寒冷环境适应能力的变化范围（图2）。

例如，在拟南芥不同生态型中进行QTL定位时发现，CBF2基因启动子存在缺失等位变异，导致该转录因子表达峰值不同，从而导致冷耐受能力差异。在黄瓜中，草酸脱羧酶SGR是CBF1的靶基因，其等位突变导致冷敏感型植株。在番茄中，转录因子BBX31启动子中的一个27bp插入可抑制HY5活化，降低其表达，进而抑制CBFs基因表达并降低对冷胁迫的响应。在拟南芥不同生态型中，能量代谢相关基因如COR6.6、COR15A、COR78和GolS3的等位变异也与冷耐受性密切相关。在杨树中，KOR17228基因是拟南芥热激蛋白HSP60-3A的同源基因，其等位变异解释了同种内暖区和寒区分别种群（居群或群体）的耐寒差异性（Sang et al., 2022）。

在水稻中，COLD1基因编码一种G蛋白信号调控蛋白，定位于质膜和内质网，可通过激活Ca?⁺通道感知寒冷。该基因编码区的SNP等位差异赋予了粳稻和籼稻之间的耐寒性差异。DNA修复相关基因COLD11第一外显子中的GCG重复数目的等位差异，也对粳籼稻之间的耐寒性有贡献显著。这些等位基因可能在驯化过程中受到选择，并在粳稻向北扩张过程中经历了更为强烈的人工选择。此外，水稻中其他多个基因的等位变异也与耐寒性密切相关。例如：MAPK3启动子区的等位变异影响其转录本丰度，从而显著调控粳籼稻的冷耐受性差异（Lou et al., 2022a）。类似地，Ctb1、APX1、bZIP73、CTB4a、LTT1、CTB2、CTB3和CTB5等基因的等位变异也在水稻生殖阶段耐寒性差异中发挥关键作用。HAN1是一种感冷诱导的内质网蛋白，其启动子区域的等位变异亦对粳籼稻间的冷胁迫耐受性存在显著贡献。SEH1编码一个WD40重复核孔蛋白，该基因在粳籼稻间具有两个功能性等位变异，其中粳稻等位基因能更有效地结合MT2b，进而减少ROS积累，通过上调DREB1及多个冷响应基因增强其耐寒性。

图2 | 参与植物生物与非生物胁迫适应性的关键基因拟南芥、水稻、小麦、玉米和大豆中鉴定到的关键基因及其等位变异--参与了生物胁迫（病原体）与非生物胁迫（低温、高温、盐害、UV-B辐射、淹水/涝害、干旱）过程。在玉米中，基础亮氨酸拉链转录因子家族成员bZIP68是玉米早期驯化的靶标之一，其通过抑制DREB1表达降低耐寒性。其启动子区插入一段358bp的序列，导致转录水平变化并影响耐寒性。bZIP68还能通过抑制HSF21表达参与耐寒性调控；HSF21启动子上的bZIP68结合位点的等位变异造成bZIP68抑制效应在不同品种间存在显著差异，进而导致耐寒性变化。转录因子基因COOL1（bHLH家族）表达量较低，受HY5抑制而增强玉米对高纬度寒冷的适应性。此外，RR1、CesA和MPK8等基因的等位变异也广泛存在于不同玉米品种中，是它们耐寒性差异的遗传基础之一。同样，玉米中冷应答关键调控因子ICE1的启动子区等位变异，也导致不同品种间在代谢重编程与COR基因表达上的差异，从而影响品种之间的耐寒性差异（Jiang et al., 2022）。小麦PGK、Wcr-3和Wcr-4三个基因的等位变异亦被鉴定为导致不同品种间耐寒性差异的重要遗传因子。

综上，植物对冷胁迫的响应是一个多层次、复杂的生物学过程。多个涉及寒冷信号感知、胁迫响应与调控关键基因的等位变异在植物品种、生态型和亚种间广泛存在，是其在多样性环境中形成不同耐寒性表型的重要遗传基础。

高温胁迫适应

与植物对寒冷的适应类似，植物能够感知外部温度升高，并通过多条信号通路将温度信号传导至体内，从而诱导生理与发育过程的调节，以适应高温环境。因此，多个参与信号转导、生理调控与发育调控的关键基因共同介导了植物的高温胁迫耐受性（图2）。例如，在拟南芥中，转录因子PIF4的积累可通过激活参与细胞壁结构与生长素信号途径相关的基因，诱导高温胁迫下的热形态建成。在水稻中，SRL10基因编码含双链RNA结合结构域（dsRBM）的蛋白，参与miRNA生物合成与植物生理调控。该基因编码区与非编码区的等位变异可导致表达水平及蛋白稳定性差异，从而在不同水稻品种中表现出不同的耐热能力。SLG1基因编码细胞质tRNA-2-巯基化蛋白RCTU2，其启动子与编码区的等位变异，是籼稻表现出较强耐热性的主要遗传基础之一。此外，基因编码26S蛋白酶体的α2亚基，参与泛素化蛋白的降解过程；在非洲稻与亚洲稻之间，TT1编码区的非同义突变，是导致非洲稻更强耐热能力的关键遗传基础。TT2基因编码G蛋白γ亚基，负调控水稻的耐热性。该基因一种会导致蛋白提前终止的等位变异，能增强籼稻蜡质积累，提升高温胁迫耐受性；此优良等位基因在温带粳稻中分布较少。此外，位于同一位点上两个连锁基因TT3.1与TT3.2共同作用增强水稻耐热性，其中TT3.1或为热感受器，能进一步引发TT3.2蛋白含量下降，从而保护叶绿体类囊体免受高温胁迫损伤。非洲稻与温带粳稻之间，该两个基因的等位基因组合，分别产生了最强与最弱的耐热表型。

在玉米不同品种中，数百个基因对高温胁迫表现出差异表达，其背后主要源于顺式调控区域的等位变异。例如，编码Hsp20样伴侣蛋白GRMZM2G324886基因的等位变异，与热敏感与耐热品种之间的耐热差异密切相关。葡萄HSFA2是一类高温胁迫转录因子，其编码区的一处单氨基酸等位变异影响其转录激活能力，通过激活其下游靶基因MBF1增强品种间耐热性差异。小麦SG-D1基因编码STKc_GSK3激酶，可与转录因子PIF4互作响应高温胁迫。SG-D1编码区氨基酸的等位变异导致SG-D1高温胁迫下的降解速率和PIF4蛋白稳定差异，从而导致不同品种的耐热性变化。值得注意的是，PIF4本身在不同小麦品种间也存在等位变异，其启动子区的插入/缺失变异可造成表达量和蛋白积累的差异，进一步导致耐热性变异；联合利用这两个互作基因的优良等位变异，有望构建具有极强耐热性的新品种。随着全球气候变化加剧，极端高温已成为全球粮食安全的重大威胁。因此，深入发掘与利用植物的耐热遗传资源，将为培育耐高温作物品种提供重要策略支撑。

干旱适应

植物进化出多种分子遗传机制和信号通路响应干旱胁迫，如水通道蛋白调控、渗透调节、活性氧（ROS）清除等以及激素信号传导与转录因子调控等，后者通过调节气孔开闭、根系生长、细胞壁调控及胁迫相关基因表达等生理与发育来应对干旱胁迫（图2）。拟南芥中EXO70A3编码一个EXOCYST复合体蛋白亚基；该复合体参与生长素外排载体PIN4蛋白的极性定位和运输。EXO70A3在不同生态型中的等位变异、可导致根的向地性生长差异，进而引起根系结构（RSA）和耐旱性差异。

水稻DRO1基因编码蛋白具有两个与脂质修饰相关的N-肉豆蔻酰化位点，并受植物激素生长素的负调控，该基因同样参与根生长与RSA调控；其编码区和启动子的等位变异导致旱稻和水稻耐旱性上的显著差异。双链RNA结合蛋白DRG9通过蛋白质相分离、保护NCED4mRNA不被降解，从而增强水稻的抗旱性。DRG9编码区第267位氨基酸等位变异，影响其与NCED4的结合能力，导致该等位变异体表现出更高的耐旱能力。DREB1F是DREB转录因子家族成员，作为转录激活因子、能特异结合DRE/CRT顺式作用元件，在水稻耐旱性形成中发挥重要作用；该蛋白天冬氨酸与谷氨酸的等位基因，与水稻耐旱性密切相关。LG3是ERF家族转录因子，可通过清除活性氧提高水稻的耐旱性；该基因启动子中等位变异也与水稻品种的耐旱性差异密切相关。SPL10是SPL家族的转录因子，负向调控水稻耐旱性；低表达SPL10水稻品种可在干旱期间迅速关闭气孔以减少水分流失；SPL10启动子区的等位变异对其表达水平产生调控：旱稻和改良水稻携带低表达等位变异时，往往表现出更强的耐旱性。RoLe1编码黄素单核苷酸还原酶结构域蛋白，旱稻RoLe1启动子的G→T等位变异、增强了OsNAC41对该启动子的结合能力，促进RoLe1高表达、并与OsAGAP（一种生长素依赖的ARF-GTPase激活因子）互作，调控根系发育来增强抗旱能力。

玉米ZmTIP1编码具有S-酰基转移酶活性的蛋白；该基因的等位变异、通过调控根生长造成品种间耐旱性的差异。DREB2亚家族转录因子DREB2.7蛋白可正向调控玉米的耐旱性；该蛋白编码基因启动子区的SNP等位变异与耐旱性显著相关。转录因子NAC111的过表达可调控多个干旱应答基因的表达，增强玉米耐旱性；在玉米干旱敏感材料中，该基因启动子存在一段82bp的等位插入，降低了其表达量。VPP1基因编码液泡型H⁺焦磷酸酶，在调节离子稳态和渗透调节中发挥重要作用；而耐旱型玉米品种的VPP1启动子具有一个366bp的插入序列，进而也导致该基因的表达上调。小麦中WD40-4B基因编码WD40蛋白，该蛋白通过促进过氧化氢酶的活性来清除ROS，从而增强植株的耐旱性；该基因编码区的一处氨基酸置换，造成该基因提前终止翻译和功能丢失，进而具有该等位变异的玉米品种耐旱性下降。此外，NAC转录因子基因NAC071-A启动子中的108bp插入等位变异，也通过导致相关基因的表达变化来影响小麦抗旱性。另一NAC转录因子SNAC8-6A，可通过激活根发育和提高水分利用效率，从而正向调控耐旱性；该基因启动子区ABRE基序的插入/缺失变异可调节其表达水平，造成不同品种间的耐旱性差异。

大豆中ACO1编码1-氨基环丙烷-1-羧酸氧化酶，其编码区的非同义突变导致三种单倍型：其中一种具有更高的氧化酶活性和更强的耐旱能力。Prx16编码过氧化物酶，其编码区的非同义突变与大豆品种间的耐旱差异高度相关。杨树转录因子WRKY68的等位变异形成两种单倍型：干旱区常出现单倍型，对下游信号通路基因启动子的结合能力更强，表现出更高的耐旱性。转录因子MYB61可激活杨树中的RSZ21基因，后者与其他剪接因子互作调控ROS积累，进而影响气孔大小和耐旱性；近缘杨树物种中发现两个RSZ21启动子区单倍型，其中湿润地区单倍型显著降低了MYB61的结合能力，导致其表达下调，从而降低了抗旱性。番茄B-box锌指蛋白（BBX）可提升非生物胁迫适应能力，其中BBX18的SNP-265是转录激活活性的关键位点；代激活位点等位变异引起转录能力差异、造成品种间耐旱性不同。油菜NF-Y是一种序列特异性转录因子，可结合染色质中的核小体调控转录活性；NF-YA7启动子区两个SNP及其编码区非同义等位突变，通过ABA信号通路增强植株耐旱性。此外，荒漠植物抗旱通路关键基因，通过强烈的纯化选择作用不断清除有害的等位变异，从而是整个物种各群体普遍适应极端干旱环境（Fu et al., 2024）。

沉水与水淹胁迫适应

沉水或水淹胁迫通常导致氧气供应减少、导致缺氧。植物主要通过“植物半胱氨酸氧化酶N-端降解体（N-degron）”途径感知缺氧信号；该途径的主要蛋白底物来自第七类乙烯反应因子（ERFVII）家族；调控水涝和缺氧反应的关键基因大多也与该信号通路密切相关（图2）。拟南芥ERFVII亚家族包括五个功能冗余基因；水稻SUB1A、SK1和SK2是主要的ERFVII成员。这些ERFVII蛋白能够在缺氧状态下激活下游应答基因的表达；但在氧气充足时（除SUB1A外），会被泛素化、降解掉。该途径还受到乙烯调控，而乙烯又与一氧化氮消耗和幼苗响应密切相关。拟南芥在其广泛地理分布中所展现的区域性耐水淹与干旱适应性，可能源于N-degron通路相关基因的等位变异。

例如，ERFVII主要成员基因RAP2.12表现出与当地生境降雨相适应的调控区等位变异。除参与缺氧应答外，RAP2.12还可能通过ABA信号通路增强植物耐旱性；其启动子区域在湿润型和干旱型生态型中分别含有WT和W两种顺式元件：WRKY家族的转录因子WRKY70可特异结合RAP2.12启动子的WT元件，在潮湿地区的水淹胁迫下增强该基因的表达；而在干旱生境则由未知WRKY家族或未知转录因子，结合W元件，增加同一基因表达、增强种群的抗旱性。这一发现表明，通过顺式调控元件的操控培育出同时具有更干旱与水淹的作物品种。此外，ACYL-CoA结合蛋白ACBP4的Ser638位点的天然变异可通过调控WRKY70的核转运过程，提高水淹胁迫的耐受能力。此外，WRKY22启动子TA缺失等位变异，可解除ARR磷酸化蛋白的抑制作用，从而维持其高表达，提高水淹地区拟南芥对洪涝的适应能力。拟南芥编码E3泛素蛋白连接酶的MBR1基因，在多雨环境中其编码区发生两个非同义SNP，也表现出等位变异。MBR1可调控MEDIATOR转录复合物的子单元MED25，后者与ERFVII相互作用，将特异性调控信号传导至RNA聚合酶II。MED25可通过连接ERFVII与RNA聚合酶II，增强缺氧反应，促进核心无氧代谢基因的激活。此外，ACONITASE3（ACO3）作为细胞呼吸的正调控因子，可通过线粒体三羧酸循环调控碳氮代谢，参与应激信号传导。拟南芥ACO3启动子中ANAC017结合位点上的一个SNP等位变异，影响不同生态型的水淹耐受能力。

水稻耐涝品种主要分布于南亚、东南亚和西非地区。乙烯响应因子基因SUB1A是此类品种中采用“静默策略”的关键基因。其主要的等位变异为位于第186位的丝氨酸置换，该位点可被MPK3磷酸化；而不耐涝品种在此位点上为脯氨酸，阻断MPK3磷酸化，无法诱导抗涝反应，使水稻对水涝敏感。此外，该丝氨酸等位变异还通过促进SLR1和SLRL1积累来抑制节间伸长，同时增强PDC和ADH表达以促进无氧代谢，从而提高水涝适应能力。该等位变异还可间接抑制促进节间伸长的Sub1C基因表达。值得注意的是，该SUB1A等位基因虽携带ERFVIIN-degron的MCGG序列，但可通过C端相互作用避免了其N端的蛋白降解。相较于SUB1A等位变异耐涝品种，深水稻品种则通过“逃逸策略”更有效地应对长期的洪涝胁迫；其节间可迅速伸长至水面之上，避免缺氧，维持有氧代谢。深水稻耐涝性主要由乙烯响应因子SK1、SK2，赤霉素20-氧化酶同源基因SD1，节间伸长加速因子ACE1及抑制因子DEC1等等位突变来协同调控。这些基因通过GA通路调节节间伸长；非深水稻的这些基因或缺乏，或发生了无功能变异。另一种水稻适应水淹的逃逸策略涉及胚芽鞘（coleoptile）的伸长与休眠打破：UGT75A编码葡糖基转移酶，可调控种子萌发。某些品种中UGT75A编码区存在的SNP等位变异，可通过对ABA和JA的葡糖苷化反应降低其自由浓度，从而调控胚芽鞘长度。在水涝条件下，该等位基因还可通过调节JAZ与ABI蛋白的互作促进胚芽鞘伸长。此外，野生稻中优良等位基因GF14h（编码14-3-3蛋白）已在现代粳稻中丢失；GF14h可与HOX3和VP1的互作，调控ABA信号与GA合成，在直播条件下显著提高幼苗存活率。因此，UGT75A与GF14h都是适用于直播水稻品种育种的重要候选基因。

小麦ERFVII.1基因在水淹处理下的耐涝品种中表达水平升高，而在敏感品种中下降在大豆中，qWT_Gm03基因存在重要等位变异，与耐渍性和产量性状相关。然而，小麦与大豆不同品种间的关键等位变异及其分子机制仍需进一步研究。这些优良等位基因将在未来应用于耐涝作物品种的精准育种。

盐碱与盐适应

土壤中高浓度的钠离子（Na⁺）会激活植物细胞中的非特异性阳离子通道，进而诱导磷脂和活性氧（ROS）的产生，并激活蛋白激酶。这一级联反应过程将引发植物激素信号传导、气孔关闭、细胞膜功能紊乱、氧化胁迫，以及植物生长的改变。为了缓解土壤盐度升高带来的伤害，植物在长期进化过程中形成了调节盐敏感性的精细分子调控机制。盐胁迫耐受性是一种由多基因控制的数量性状，涉及信号转导、离子运输、代谢通路、转录调控、DNA甲基化、组蛋白修饰、核小体定位以及小非编码RNA等多信号和多通路。这些多样化机制通过协同作用调控染色质结构与基因表达，从而共同参与盐胁迫应答。

调控Na⁺/H⁺平衡的相关基因的等位变异通常会影响植物的盐碱胁迫耐受性（图2）。拟南芥中SOS1基因（编码Na⁺/H⁺逆向转运体）的一处单碱基缺失导致蛋白翻译提前终止，造成Na⁺进入量增加，形成对盐敏感的生态型。类似地，番茄SOS1编码区的同义突变以及启动子区域的SNP等位变异与根系Na⁺/K⁺比值显著相关，进而影响各品种的盐耐性差异。SOS2启动子一段53bp插入/缺失（indel）引入了盐诱导转录因子ABI4的结合元件，从而增强了对SOS2的抑制，降低了番茄的盐耐性。Ca?⁺信号转导分子SCaBP8启动子的SNP等位变异影响其表达，并改变了番茄在高盐环境下的抗性。高亲和力钾离子通道基因HAK20的开放阅读框等位变异与盐胁迫下番茄根部Na⁺/K⁺比值密切相关，导致了不同品种的耐盐性差异。

葡萄沿海与内陆物种在多个基因上存在>50bp的结构变异，特别是FSD2、RGA1和AAP8；它们均参与盐适应的调控过程。水稻SKC1编码高亲和力钾离子转运蛋白，是一种Na⁺选择性转运体，在盐胁迫下调节K⁺/Na⁺平衡，显著提升耐盐性。该基因在不同水稻品种间的等位变异导致耐盐能力的差异。水稻STG5基因调控多个HKT基因家族成员的表达，从而影响Na⁺/K⁺平衡，其等位变异导致了各品种的耐盐性差异。水稻RST1基因编码生长素响应因子ARF18，可直接抑制AS1表达，其编码区的等位变异可在盐碱条件下缓解部分水稻品种的产量损失。水稻STH1基因编码α/β折叠水解酶，通过调控脂肪酸代谢增强盐耐性；非洲稻一个特异单碱基等位突变不仅增强了盐耐性，还提高了产量；该等位基因导入亚洲稻后，显著提高了其盐胁迫下的籽粒产量。

部分玉米品种NSA1基因的3'UTR区域发生了4bp缺失，导致编码的钙结合EF-hand蛋白翻译效率降低，从而增强Na⁺外排，提升了茎秆的排盐能力，促进这类品种在高盐环境中的繁殖。玉米HAK4基因编码一种新膜定位的Na⁺选择性转运蛋白；当其表达降低时，茎中Na⁺含量升高，提升了特定玉米品种的耐盐性。丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶SnRK2.10通过磷酸化HAK4激活Na⁺外排，从而增强耐盐性；玉米部分品种在该基因启动子中的20bp缺失、会降低其表达，导致地上部Na⁺积累升高，破坏离子稳态，降低耐盐能力。膜定位蛋白编码基因SULTR3;4启动子的SNP等位变异也是造成不同玉米品种间的表达和耐盐性差异。

小麦中RN1和RN2是调控根系盐响应的关键基因；RN2在部分品种中存在移码突变，导致品种之间的耐盐能力差异。SPL6-D基因编码包含经典SQUAMOSA启动子结合结构域（SBP）的SPL转录因子，其第一个外显子中的一段47bp插入可激活HKT1-5-D基因表达，从而增强小麦部分品种的盐耐性。高粱TEF1基因启动子的284bp插入/缺失等位变异，在盐胁迫下影响其表达调控，对不同品种的苗期盐耐性具有显著影响。AT1基因编码杂合三聚体G蛋白γ亚基（Gγ），其移码等位突变与禾草类物种耐盐性显著相关；AT1/GS3在盐胁迫中的负调控功能在多个禾本科植物中具有高度保守性，包括水稻、玉米、小麦与黍。以上研究表明，盐耐性是一个涉及多种功能性状变异的复杂性状。相关通路中关键基因的自然等位变异，将直接影响植物体内盐离子稳态，从而调节其生长发育、并改变对盐胁迫的耐受性。

生物胁迫适应

陆生植物在自然界中与多种微生物共存，包括病毒、细菌、真菌和卵菌。来源于免疫原性微生物（无论其为致病菌、共生菌还是有益菌）的微生物/病原体分子模式，MAMPs/PAMPs，可作为配体，被植物体内编码的细胞膜表面模式识别受体（PRRs）识别；如，受体样蛋白（RLPs）与受体激酶（RKs），从而激活模式触发免疫（PTI）。例如，真菌壳聚糖作为MAMP可激活PRRCERK1，后者在植物与动物中均可磷酸化CERK1互作的E3泛素连接酶CIE1的保守位点。此过程抑制了CIE1的E3活性，并触发一组丝裂原活化蛋白激酶（MAPKs）的磷酸化，进而引发钙离子流入、活性氧（ROS）生成、防御基因重编程及水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）与乙烯（ET）等植物激素的调控。

与PTI相对的是细胞内免疫机制，即植物中称为核苷酸结合-富含亮氨酸重复结构域受体（NLR）的免疫受体家族，可进一步分为TIR型CC型和RPW8-like型。NLR主要识别病原体分泌的多变效应蛋白，这些效应蛋白可被传递到植物细胞内或胞间空间，进而激活效应子触发免疫（ETI）。在病原效应因子作用下，TIR结构域可与底物NAD⁺andATP结合，引发液-液相分离并激活其体外活性，继而启动EDS1/PAD4andEDS1/SAG101蛋白复合体及其下游的辅助NLR。这些辅助受体与“感知型”NLR（sNLR）及病原效应蛋白协同作用，通过促进细胞质内钙离子的流入来启动免疫响应。已有研究表明，细胞膜表面和细胞内受体激活的免疫通路可协同增强植物对病原体的抵御能力。

植物抗病性与病原体致病性在多变环境中长期共同进化。在少数物种中揭示的抗病通路关键基因等位变异，为抗病育种提供了重要的遗传资源（图2和表1）。拟南芥ACD6基因编码带有胞质锚蛋白重复结构的跨膜蛋白，该基因的等位变异对调控水杨酸积累具有重要作用。该基因在植物营养生长与抗微生物性方面表现出功能多样性。某些生态型中存在ACD6高活性等位变异显著增强了对广泛病原体的抗性；但同时抑制了植物生长：叶片少、成熟叶片生物量下降。QDR基因编码脯氨酰寡肽酶POQR，在拟南芥中抵抗坏死型真菌方面具有重要作用。该基因缺失会显著降低对该真菌的抗性，但不影响对细菌病原体的抵御能力。在部分生态型中，QDR蛋白的S5P氨基酸等位突变使得其对真菌抗性更强，推测其可能影响POQR的二聚化能力、亚细胞定位或酶活位点的可及性与功能性。此外，P2K2基因的C407Y突变在拟南芥及其他十字花科植物中保守存在，能通过增强病原感知和对胞外ATP的响应来提升免疫能力；但该突变虽会降低激酶活性，但提高了番茄斑点病菌的抗性。

水稻ROD1是一个钙离子传感器，可激活过氧化氢酶消除ROS，从而负向调控免疫。ROD1的等位基因在亚洲栽培稻中存在非同义突变（脯氨酸变为苏氨酸）及同义多态性。该等位变异通过影响过氧化氢酶的激活能力，改变田间抗病性，但不影响产量。该变异还能完全抑制rod1突变体的抗性，恢复CatB介导的ROS清除过程。天冬氨酸蛋白酶47是水稻对水稻黑条矮缩病（RBSDVD）抗性的负调控因子；其两种单倍型分别存在于不同栽培品种中：一种在南亚、中东和西非的高温种植区表现出更高频率及更强抗性。C3H12是CCCH型锌指核酸结合蛋白，通过激活JA信号通路基因，正调控水稻对稻瘟病菌的抗性；该基因调控区的等位变异，能增强其在感病时的高表达从而达到高抗病。BSR-D1是一个负调控因子，编码C2H2转录因子，能促进过氧化氢酶表达并抑制稻瘟病；BSR-D1启动子的单核苷酸等位突变，增强了其与MYBS1的结合亲和力，从而降低了BSR-D1的表达，减少了过氧化酶含量，提高了H₂O₂水平，从而增强了具有该类等位变化水稻品种的抗病性。去泛素酶PICI1作为PTI与ETI的整合中心，能通过稳定蛋氨酸合成酶来激活依赖乙烯的蛋氨酸免疫通路；PICI1在调控区的等位变异导致了籼稻与粳稻的基础抗性差异；其中，PICI1jap在几丁质处理后具有更高的转录活性，与粳稻的更强抗性一致。

玉米Hm1基因编码NADPH依赖性还原酶-调控其抗病性；Hm1能调节ROS生成或抗性基因的表达，其功能缺失等位基因可增强抗性。LecRK1编码G型凝集素受体激酶，其PAN结构域中S404A的等位变异决定了对茎腐、纹枯和病菌的抗性。玉米FBL41编码F-box蛋白，可泛素化并降解肉桂醇脱氢酶（CAD），增强对叶斑与鞘斑病的抗性；E214andS217的LRR区突变能阻断其与CAD的互作，造成CAD积累增加、木质素含量升高，限制病斑扩散。玉米CCT基因通过转座元件（TE）插入调控其启动子区，影响表达、并介导对茎基腐病（GSR）的抗性；无TE等位变异的品种，则表现出更高的H3K4me3和更低的GC甲基化水平，增强其表达与抗性。ABP1基因调控玉米对甘蔗花叶病毒（SCMV）的抗性，其启动子突变可改变表达水平；Trxh的上游等位变异增强其表达并提升抗性。MM1基因编码MYB型转录抑制因子，调控免疫抑制因子MT3；其3'非翻译区的等位变异可改变玉米蛋白积累水平及抗性表现。

小麦DIR-B1基因编码dirigent蛋白，正向调控木质素合成影响抗性；一些品种该基因编码区的一个非同义突变导致蛋白提前终止，导致其对枯萎病（FCR）的抗性下降。小麦RWT4是串联激酶蛋白（TKP），对稻瘟病菌具有关键抗性。在水稻原生质体系中，仅抗病品种Cadenza的RWT4Ca可识别AvrPWT4并诱导细胞死亡，支持其在抗性育种中的理论基础。小麦“杂种坏死”由互补基因Ne1与Ne2所致。Ne1编码α/β水解酶（ABH），其结构变异与Ne2协同诱导自身免疫反应。Ne1的等位变异与拷贝数变异（CNV）共同影响杂种坏死的多样性，显示出独特的育种潜力。大豆SNAP18的一个等位基因，具有九个氨基酸突变，显著增强了对大豆胞囊线虫的抗性。高粱ARG1基因编码NLR类蛋白，嵌套于顺式天然反义转录基因CARG的内含子中；当CARG不表达、且含有微型逆转录转座子时，ARG1表达增强，赋予对真菌病原的抗性。油菜MKK9基因编码MAPKK激酶，其等位变异影响MPK3/6磷酸化水平，增强对白腐病的抗性。甘薯WRKY转录因子SPWR1的SNP等位变异导致天冬酰胺变为苏氨酸，通过级联反应增强对象甲害虫的抗性。柑橘E3泛素连接酶PUB21负调控MYC2来抵抗黄龙病；PUB21基因的等位变异导致柑橘抗性发生变化；人工筛选的类似小肽可稳定MYC2，提升抗性。青藏高原半荷包紫堇转录因子bHLH35调控区的转座子等位插入，导致其表达量增加，进而增加花青素通路基因的高表达以及花青素的高积累，使得植物叶片与环境流石滩一致，形成拟态，从而避免被蝶类幼虫捕食（Zhang et al., 2025a）；揭示了植物伪装适应的分子遗传机制，及其与植食性跨界昆虫之间的进化互作。

为进一步检测上述模式或作物中环境适应性表型关键基因的进化保守性，进一步对它们在其他陆生植物中的同源基因进行了系统发育分析。对比和提取了52个代表性物种中，与目标基因序列最相似的同源序列（大多数物种因反复发生的基因组加倍，从而导致拿到的序列是非直系同源）；采用最大似然法（RAxML）对每个基因数据矩阵构建了基因树。基因树的拓扑结构，与已知陆生植物系统发育关系基本一致（图S1），从而为这些基因功能的进化保守性提供了支持。

环境适应驱动物种形成

尽管偶尔也会与近缘谱系杂交，一个独立进化谱系主要是指谱系内能无障碍交配，产生有生育能力的后代。谱系间存在合子前（prezygotic）和合子后（postzygotic）生殖隔离（RIs）；它们共同维持每个谱系的相对独立进化。但是，这些生殖隔离不是完全的，经常会出现谱系间杂交，产生杂交后代。根据遗传和形态分化程度，特别是生殖隔离程度，不同谱系经常做为生态型（ecotype）、亚种（subspecies）和种（species）分类等级（Liu, 2016）。然而，这些分类等级之间并没有明确的界限（Darwin，1859）；并且也没有、也无法找到明确的统一标准来界定某一分类等级（Liu, 2016）。

值得注意的是，环境适应及其所驱动的遗传分化不仅导致特定表型的分化，也会促成合子前生殖隔离的形成。例如，分布于中国北方和西南地区的两个虎榛子属姐妹种所处环境在温度和土壤铁含量方面存在显著差异，这两种植物表现出在开花期及高铁环境存活率方面的合子前生殖隔离（Wang et al., 2021）：多个基因在这两个姊妹种间都产生了显著的遗传分化，其中包括与开花相关的LHY和PIE1基因，以及与铁吸收和运输相关的FRO4和ZIP5基因。另一个分布与生态适应相似的鹅耳枥属姐妹种也表现出了显著的基因分化，但涉及的基因不同、但都位于相同功能通路上，如PHYE和CRY1基因（开花时间调控），以及FRO7和TIC基因（铁胁迫耐性）。

这些适应性分化基因（等位基因或直系同源），很可能协同响应环境选择压力，驱动谱系分化，进而促成合子前生殖隔离，最终导致在不同属南北两个新物种的形成。这种适应性遗传分化会显著降低不同生境种群之间的基因流（合子前生殖隔离）；在此基础上进一步积累遗传差异，形成形态差异和合子后生殖隔离都十分明显的“好种”。此外，适应不同环境的姊妹或近缘物种，还可能通过杂交产生杂交后代，而杂交后代则可能交替继承和固定两个亲本物种环境适应遗传通路上的合子前生殖隔离等位基因，再迭代进化，与双亲物种同时形成生殖隔离，快速形成一个同倍性杂交新物种。

但是，并非所有植物物种或亚种都是环境适应性自然选择驱动而形成的。多数栽培植物物种是通过人为驯化而形成的，被视为不同于其祖先的物种或亚种：如大豆、玉米和水稻。人工种植的两个水稻亚种——粳稻和籼稻，可能分别驯化自广义野生稻的两个隔离群体，或者分别来自狭义野生稻和尼瓦拉；它们的起源和形成主要是通过人工选择实现的。这两个亚种之间已经形成多个基因遗传分化导致的合子后生殖隔离，导致其杂交后代产量以及育性等都显著下降。两个亚种驯化和起源过程中，主要借助人工选择，发展出不同的环境适应性，如在耐寒、耐热和耐涝等方面存在非常明显的差异（即合子前生殖隔离）。自然分布的模式植物拟南芥，不同环境适应也促成了区域性生态型的形成，例如分别具有抗旱和耐涝能力的生态型。综上所述，无论是否存在人类影响，环境适应通过减少基因流，都可能促成生态型、亚种和物种的形成。

额外基因促进早期陆生植物的复杂环境适应和物种多样化

陆生植物作为一个单系谱系，包括藓类、苔类、角苔和维管植物，其祖先生活在相对稳定的水生环境中。与轮藻类一起，陆生植物共同组成了单系类群链球植物；该类群与绿藻门一起构成绿色植物。所有陆生植物均通过叶绿素进行光合作用，这一关键特征可追溯至其藻类祖先。叶绿素生物合成相关基因以及光系统相关基因主要起源于古老的蓝藻，这些基因通过与真核生物的内共生作用而获得，构成了一种原始的水平基因转移（HGT），并在后续演化中经历了基因复制和功能多样化。

轮藻类作为陆生植物的姐妹类群，已演化出可捕获红光和远红光的光敏素通路，为陆生植物中FHY1、FHY3和LAF1等基因的形成奠定了基础，这一光感应网络在植物对陆地环境的适应中发挥了关键作用。这些演化过程共同促成了现代陆生植物复杂光合通路的建立。为了适应高度多变的陆地环境，植物还发展出一系列创新的遗传通路，以应对紫外辐射、水分短缺等环境胁迫。例如，在登陆之前，轮藻类植物已显著扩增了与信号转导网络、黄酮类化合物生物合成及细胞壁合成相关的基因，这些变化为登陆提供了遗传基础。这些新增基因多数通过来自细菌的水平基因转移、全基因组加倍或片段复制所获得的。与其藻类祖先相比，角苔类扩增了与RNA编辑、紫外线耐受及抗干旱相关的基因家族。地钱类植物具备一些独特特征，如由F-box蛋白介导的激素通路调控其有性和无性繁殖过程，并合成具有功能性的酚丙烷类小分子化合物。通过基因复制事件，多个关键转录因子家族在地钱类中显著扩张，这些转录因子的扩展对于增强植物抗旱性具有重要意义。值得注意的是，来自细菌水平基因转移显著影响了陆生植物早期的发育过程，包括花器官和维管组织的形成、DNA损伤修复、淀粉代谢以及生物与非生物胁迫抗性等。这些功能通过多个关键基因的水平转移来实现，包括参与维管组织发育的TAL、参与生长素通路的YUC与AEE、淀粉合成相关的LDA以及萜类合成相关的MTPSLs。

全基因组加倍或多倍化在维管植物（包括石松类、蕨类、裸子植物和被子植物）的物种多样化与环境适应中发挥了重要作用，主要通过增加基因数量来实现。在两个约3.5亿年前分化的石松类谱系中，分别发生了一到两次独立的全基因组加倍事件。大多数蕨类谱系也经历了特定的全基因组加倍。这些全基因组加倍所导致的基因扩张，促进了黄酮类、酚丙烷类、萜类和木质素等次级代谢物的合成，以及细胞次生壁的加厚，从而增强了植物对陆生复杂环境的适应能力。此外，部分蕨类通过与细菌发生的水平基因基因转移获得抗虫基因，表现出显著的抗虫性。此外，所有种子植物都经历了一次共同的全基因组加倍事件，这可能促进了与种子发育相关基因的扩张，包括早期胚胎发育到种子休眠和萌发，以及与免疫和胁迫响应相关的所有基因。裸子植物和被子植物各自也经历了特有的全基因组加倍，进而产生了适应复杂环境的特异性表型。如，全基因组加倍对被子植物特有的结构创新起到了关键推动作用，如形成封闭心皮和真正的导管。在多数被子植物的目和科中，都观察到特异性的全基因组加倍事件，这些事件主要集中在三个关键时间节点：约1.2亿年前、6600万年前以及2000万年前之后。尤其是在白垩纪-古近纪过渡期发生的全基因组加倍，产生了大量重复基因，帮助植物应对当时的全球降温和黑暗等环境胁迫。多数胁迫响应相关的转录因子在这些全基因组加倍之后被保留，从而提高了植物对极端环境的适应能力。此外，在被子植物中，种子中的油脂储存可为种子萌发及幼苗生长提供能量，其合成通路的形成，主要建立在全基因组加倍后的重复基因基础之上。这些研究结果表明，全基因组加倍通过旁系同源基因的功能分化，在维管植物早期多样化及其环境适应过程中发挥了重要作用。

前景与展望

样本和类群拓展

在全球气候变化的背景下，没有任何物种或个体能够适应所有生境或满足人类的所有需求。为了更深入理解某一植物物种对环境的适应过程，有必要扩大采样范围，涵盖所有品种、生态型和亚种。因为除了已识别的表型外，每个物种可能还存在更多尚未测量和发现的表型特征。通过系统性地挖掘和整合完整的表型变异谱，以及分析物种内不同材料与环境的相关性，我们可以获得更深入的认知。这一策略不仅探讨了一个物种的表型怎样响应当前多样化的环境条件与未来气候变化，还包括识别最佳表型组合，以聚合有利等位基因用于培育新品种（见图3A）。全面的表型多样性采样与分析将有助于加深我们对物种自然进化机制的理解，并为培育符合人类需求的作物新品种提供理论依据。目前，多环境条件下植物适应性进化的研究多集中于模式植物（如拟南芥）和主要作物物种，而对非模式植物的关注相对较少。为了弥补这一空白，有必要将研究拓展至分布较广泛的非作物植物和非模式物种或物种复合体中。

通过跨系统发育距离较远类群采集数据，可研究在相似环境压力下，不同植物物种的适应性进化是否存在共性基因、通路或等位变异，从而可确定植物适应性进化的可预测性或确定性。这些研究结果将有助于理解系统发育关系较远的物种，怎样对相似环境胁迫作出适应性响应？是否源于共同的遗传机制，或是通过多样而独特的遗传机制而实现，反映出进化的复杂性与不可预测性？此外，这类研究还将揭示环境变化怎样在不同生态系统与景观中驱动物种形成与多样化过程。随着越来越多来自不同纲和科的维管植物高质量基因组数据的积累，还可对全基因组加倍所导致的直系和旁系同源基因的保守性与功能分化进行系统追踪，全面揭示全基因组加倍在物种多样化过程中的关键作用。

整合多组学发掘优异等位基因

从生态型、亚种、物种和属级水平获取多个体高质量基因组，以构建泛基因组或超泛基因组，正变得越来越普遍。这些基因组数据有助于开展更全面的全基因组关联研究（GWAS），包括SNPs和结构变异，如大片段插入/缺失（indels）和基因拷贝数差异等。相比于SNPs，结构变异对植物复杂环境中的表型适应通常具有更显著的影响。转录组学和代谢组学数据常被用于弥补GWAS的局限性。表达数量性状位点（eQTL）分析，利用转录组数据将基因表达视为一种表型，从而定位影响表达水平的遗传变异。近年来，cis-eQTL方法的不断优化，极大提高了对参与环境响应的基因表达调控遗传变异的识别效率。同时，代谢组学可测定与气候变化适应和生物胁迫抗性密切相关的初级和次级代谢产物。将代谢组学与GWAS数据整合，研究人员可识别代谢物合成相关的关键SNPs和结构等位变异（图3B）。

需要注意的是，在植物适应性表型研究中，表观遗传和表观基因组分析常常被忽视。当前多数适应性表型研究假设这些性状基于已有序列变异（如随机突变）演化而来，而非由主动的表观遗传变化所驱动。水稻在多代冷胁迫下通过ACT1启动子的低甲基化诱导表观变异，这类甲基化等位变化可跨代遗传，促进水稻在高纬度地区的耐寒性。表观遗传变异包括DNA与染色质的非序列性变化，如DNA甲基化、非编码RNA以及组蛋白修饰，这些因素对个体和群体间的基因表达及表型多样性具有显著影响。全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS）是研究表观基因组学的主流方法，但其高昂的成本限制了其在群体层面的应用。此外，其他重要的表观遗传修饰，如组蛋白甲基化、乙酰化、泛素化与磷酸化，以及小分子RNA（sRNA）和长链非编码RNA（lncRNA）等，在群体尺度上的研究仍相对匮乏。

未来的群体表观基因组学研究应整合多种互补技术，如RNA测序、ATAC-seq以及对多种表观遗传修饰的系统分析。这一整合策略将有助于深入解析表观遗传调控机制及其在环境适应中的作用。将表观基因组学与转录组、代谢组及基因组学研究相结合，能够更全面地理解遗传、表观遗传与环境因素之间的复杂互作机制，全面揭示自然群体与栽培群体中表型多样性与环境适应性的分子基础（图3B-3C），进而拓展作物及其他有用植物优良等位基因的发掘和新品种的培育。在多组学分析中，识别关键基因及等位变异的过程，尤其是在不同物种间验证候选基因与等位变异的保守功能时，仍可能存在不可避免的误差，因此需要结合传统手段进行相互验证。例如，图位克隆与遗传转化等验证方法（如基因过表达与基因编辑）因其高度精确性，可用于此类验证。因此，将多组学策略与传统验证方法相结合，为高效获取并利用植物优异遗传资源提供了坚实框架，从而加速分子育种进程。

基因组编辑、AI设计和远缘杂交

高通量表型分析技术使研究人员能够在多样环境条件下高效采集多种表型数据，为深入探索表型间关联及基因型与环境互作提供了有力支撑，并助力培育不利环境条件下、甚至在无法实地测试的区域中仍能保持稳定高产的作物，更好满足人类育种需求，应对全球气候变化带来的挑战。人工智能（AI）技术可支撑海量数据的综合分析，并能辅助筛选每个基因的优异等位变异。基因组编辑工具持续优化，目前已实现了多碱基替代、小片段插入/缺失（indels）以及千碱基级DNA片段的精准替代。这些技术进步可将优异等位基因精准整合至目标植物材料中，实现特定时间与空间下的基因表达调控。AI技术还可预测基因编辑可能产生的系列表型与复杂性状。当然，大田试验是验证这些基因编辑作物，实现作物高产与强抗逆性协同优化的最后检验标准。基于优良等位基因发掘与组合所设计的基因编辑作物（见图3D），将成为未来重要的发展趋势。

另一重要方式是利用杂交手段将优异等位基因引入目标作物或植物中，可在不同品种、栽培品系、亚种和种间进行（见图3D）。在遗传差异显著的品系间杂交，杂交后代常表现出“杂种优势”，即通过优异等位基因的有益重组，获得更强的综合性状表现。然而，种或亚种之间的远缘杂交往往会因合子后生殖隔离加剧、而导致杂交后代数量减少、育性和产量下降等杂交衰败现象。为将优良性状和优异等位基因稳定引入目标作物，为克服远缘杂交过程中的杂交衰败，通常需要反复回交，最后渗入少量优异等位（直系同源）基因。相比之下，同倍体杂交物种形成，能够有效整合两个亲本的基因组和优异基因；通过种间杂交后代的迭代进化，克服杂交衰败和有性生殖恢复，可人工创制兼具双亲特性或产生新性状的杂交新物种/新品种。这一育种策略形成的杂交品种展现出更高的基因组杂合度，增加了突变率，可产生更多的可塑性性状，从而具有更为广泛的应用潜力。

总之，结合先进组学数据分析与功能验证手段，研究人员能够挖掘更广泛的遗传多样性（等位变异），深入解析复杂的基因-环境互作机制，丰富优异基因及等位基因资源。通过基因组编辑、AI技术与远缘杂交等手段，可将这些遗传资源应用于作物性状改良，提升其在多变环境下的适应性，推动优良品种的培育，服务于全球气候变化背景下的农业可持续发展目标。

图3 | 关键基因优异等位变异培育高产和广适作物示意图。A. 拓展样本与系统发育多样性群体：充分利用“自然变异群体、近等基因系（NILs）、重组自交系（RILs）、多亲本高级互交群体（MAGIC）”等群体资源，扩大研究群体规模。B. 方法学创新：人工智能驱动的机械化现代表型鉴定技术、多组学数据分析方法的进步，以及计算方法和测序技术的改进，共同推动了生物信息学领域的发展。C. 发掘优异等位基因：方法学的革新加速了作物育种中多重抗逆性、高产优质相关有利等位基因的发现。D. 培育高产广适作物：通过基因组编辑、人工智能设计和远缘杂交等技术，分析与优化有利等位基因组合，创制具有多重抗逆性和高产特性的作物。四川大学侯静博士为文章第一作者，刘建全教授和刘唤唤副研究员为共同通讯作者。

主要参考文献

1. Jiang, L., Liu, X., Xiong, G., Liu, H., Chen, F., Wang, L., Meng, X., Liu, G., Yu, H., Yuan, Y., Yi, W., Zhao, L., Ma, H., He, Y., Wu, Z., Melcher, K., Qian, Q., Xu, H.E., Wang, Y., and Li, J. (2013). DWARF 53 acts as a repressor of strigolactone signalling in rice.Nature. 504: 401-405

2. Kang, M., Wu, H., Liu, H., Liu, W., Zhu, M., Han, Y., Liu, W., Chen, C., Song, Y., Tan, L., Yin, K., Zhao, Y., Yan, Z., Lou, S., Zan, Y., and Liu, J. (2023). The pan-genome and local adaptation ofArabidopsis thaliana.Nat. Commun. 14: 6259.

3. Liang, R., Tan, L., Guo, X., Lou, S., Dan, X., Han, Y., Zeng, C., Zhang, H., Yang, K., Chen, L., Liang, X., Liu, M., Guo, M., Yin, K., Tang, S., Song, Y., Gao, X., Gu, S., Hou, J., Yao, Y., Zhang, R., Yan, J., Fu, W., Li, X., Hu, Y., Liu, Y., Liu, W., Wu, Q., Yan, Z., Jia, W., Hu, B., Wang, J., Liu, J., and Liu, H. (2025). Allelic variation in the promoter of WRKY22 enhances humid adaptation ofArabidopsis thaliana.Mol. Plant. 18: 42-58.

4. Liu, J. (2016). The integrative species concept and species on the speciation way.Biodiversity Science. 24: 1004-1008.

5. Lou, S., Guo, X., Liu, L., Song, Y., Zhang, L., Jiang, Y., Zhang, L., Sun, P., Liu, B., Tong, S., Chen, N., Liu, M., Zhang, H., Liang, R., Feng, X., Zheng, Y., Liu, H., Holdsworth, M.J., and Liu, J. (2022b). Allelic shift in cis-elements of the transcription factor RAP2.12 underlies adaptation associated with humidity inArabidopsis thaliana.Sci. Adv. 8: eabn8281.

6. Sang, Y., Long, Z., Dan, X., Feng, J., Shi, T., Jia, C., Zhang, X., Lai, Q., Yang, G., Zhang, H., Xu, X., Liu, H., Jiang, Y., Ingvarsson, P.K., Liu, J., Mao, K., and Wang, J. (2022). Genomic insights into local adaptation and future climate-induced vulnerability of a keystone forest tree in East Asia.Nat. Commun. 13: 6541.

7. Shi, T., Zhang, X., Hou, Y., Jia, C., Dan, X., Zhang, Y., Jiang, Y., Lai, Q., Feng, J., Feng, J., Ma, T., Wu, J., Liu, S., Zhang, L., Long, Z., Chen, L., Street, N.R., Ingvarsson, P.K., Liu, J., Yin, T., and Wang, J. (2024). The super-pangenome ofPopulusunveils genomic facets for its adaptation and diversification in widespread forest trees.Mol. Plant. 17: 725-746.

8. Wang, Z., Jiang, Y., Bi, H., Lu, Z., Ma, Y., Yang, X., Chen, N., Tian, B., Liu, B., Mao, X., Ma, T., Difazio, S.P., Hu, Q., Abbott, R.J., and Liu, J. (2021d). Hybrid speciation via inheritance of alternate alleles of parental isolating genes.Mol. Plant. 14: 208-222.

9. Wang, Z., Jiang, Y., Yang, X., Bi, H., Li, J., Mao, X., Ma, Y., Ru, D., Zhang, C., Hao, G., Wang, J., Abbott, R.J., and Liu, J. (2022b). Molecular signatures of parallel adaptive divergence causing reproductive isolation and speciation across two genera.Innovation3: 100247.

10. Wang, Z., and Liu, J. (2024). Speciation studies in the genomic era.Hereditas(Beijing).

11. Zhang, H., Zhang, P., Niu, Y., Tao, T., Liu, G., Dong, C., Zheng, Z., Zhang, Z., Li, Y., Niu, Z., Liu, W., Guo, Z., Hu, S., Yang, Y., Li, M., Sun, H., Renner, S.S., and Liu, J. (2025a). Genetic basis of camouflage in an alpine plant and its long-term co-evolution with an insect herbivore.Nat. Ecol. Evol. 9: 628-638.