草害是农业生产中三大生物灾害之一，杂草种类多，危害大，每年导致世界粮食产量损失相当于约10亿人的口粮。我国粮食作物播种面积85%以上受杂草危害，每年造成直接经济损失约1200亿元。目前已知的许多作物田杂草包括稗草，千金子等均为多倍体植物。多倍体不仅在植物基因组进化和物种多样化中起着重要作用，而且由于其多倍化后增加的遗传变异和复制基因的缓冲作用，增加了其对极端环境的适应可塑性。前人研究表明多倍化对植物的生物胁迫和非生物胁迫响应均有影响，然而目前仅知道多倍体杂草具有更强的除草剂适应性，但是由于缺乏合适的研究模型，其中的分子遗传机制还仍有许多未知。
2023年5月8日，湖南省农业科学院柏连阳院士团队在植物学TOP期刊Plant Biotechnology Journal （2022年IF=13.263）在线发表题为“Genomicanalyses provide insights into the polyploidization-driven herbicide adaptationinLeptochloaweeds”的研究论文。该论文选择稻田恶性杂草四倍体千金子的二倍体同属近缘种虮子草进行从头基因组组装及注释，并与千金子进行比较基因组学，进化基因组学，群体遗传学等方面的研究揭示了由于多倍化介导的除草剂抗性基因的扩增且保守所带来的多倍体千金子除草剂适应性增强的分子遗传机制。
该研究从头组装并注释了虮子草的参考基因组，并建立了与千金子之间的染色体进化关系。获取了虮子草与千金子两套亚基因组之间的结构变异信息，发现位于9号染色体上的一个倒位很有可能影响了千金子的抗病性。
作者分析了千金子与虮子草之间的同源基因和特异性基因，并构建了千金子属杂草的进化轨迹。发现虮子草仅有一次全基因组复制事件，该事件为禾本科杂草所共有，而千金子除此次全基因组复制事件外，还有一次全基因组复制事件。也正是因为该近期的事件导致了千金子的物种形成。作者分别分析了千金子和虮子草进化过程中特异性扩张的基因家族，发现常见的与除草剂抗性有关的基因家族在千金子的进化过程中发生了特异性扩张。
作者随后分析了该多倍化事件对千金子/虮子草除草剂相关性状的影响。发现5个常见的除草剂靶标基因均发生了多倍化扩增并保守，并且其中两个靶标基因发生了组织表达模式的变化。作者进一步发现非生物胁迫相关基因家族的扩增保守程度均相对较高，而常见的抗病基因家族NB-ARC家族发生了显著的多倍化丢失。作者随后发现三个除草剂抗性基因均发生了多倍化扩增并保守，并分析了基因的表达模式以及与同源基因的系统发育关系，并通过分子对接试验确定了它们与稻田防治千金子常用除草剂氰氟草酯和恶唑酰草胺的结构相互作用。
作者进一步对89份中国千金子的重测序数据进行核苷酸多样性分析和FST分析鉴定了受到选择的基因组区间。发现有一对除草剂抗性基因在中国的恶性传播过程中受到选择。并据此模式筛选到一个新的CYP450基因。最后，作者提出了多倍体杂草通过多倍化介导的除草剂抗性基因扩增并保守所带来的除草剂适应性增强的模式示意图。
柏连阳院士团队博士研究生陈克，助理研究员杨浩娜为该论文的共同第一作者。湖南省农业科学院柏连阳院士，王立峰副研究员为该论文的通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖南省重大科技专项、长沙市杰出创新青年培养计划、国家现代农业产业技术体系岗位科学家等经费的资助，同时也得到了杂交水稻国家重点实验室、杂草生物学及安全防控湖南省重点实验室的大力支持。
