群体基因组学揭示可转座元件变体与野生黑龙江葡萄气候适应性的相关性

为何一种野生葡萄对未来葡萄酒业至关重要

葡萄藤不仅是葡萄酒和鲜食葡萄的来源；它们也是研究作物如何应对快速变化气候的典型案例。原产于东亚寒冷且常有严酷环境的野生黑龙江葡萄，能够抵御会摧毁大多数栽培品种的严冬和夏季干旱。本研究探讨了在基因层面上使黑龙江葡萄如此耐寒耐旱的原因，并提出一个面向未来的问题：相同的遗传机制能否帮助葡萄园在未来几十年变得更热、更干、更不可预测的气候中生存？

葡萄基因组中的隐形旅客

在每个葡萄细胞中，DNA里充斥着“跳跃的基因”，亦称可转座元件。这些是能够复制或在基因组中移动的序列。长期以来被视为基因组杂质的它们，如今被认作强有力的变异来源：它们可开启或关闭邻近基因、改变植物应激反应，并助力新性状的产生。作者聚焦于这些元件引起的结构性变化——插入与重排，称为可转座元件变体，以研究它们如何影响黑龙江葡萄在其分布范围内适应不同气候的能力。

构建葡萄DNA的全景图

为捕捉该物种的全部遗传多样性，研究人员首先为黑龙江葡萄构建了一个“泛基因组”——一个将来自中国不同采集地的四株植株的八套完整染色体拼接在一起的联合参考。这个基于图的方法参考让他们得以识别单一标准基因组会遗漏的复杂变异，尤其是可移动元件造成的大型插入与缺失。随后，他们对来自31个天然群体的330株野生藤蔓进行了重测序，样本跨越寒冷的东北林区、中部区域和较温和的南部栖息地。结果是一个极为详尽的目录：超过4800万处小型DNA变异和超过127,000处与可转座元件相关的结构变异。

写在DNA中的气候信号

接下来，作者询问这些DNA差异是否与当地气候——温度波动、季节性降雨或海拔——存在对应关系。利用将遗传变体与环境条件关联的统计模型，他们发现了超过22,000个候选“适应性”变体，其中约1,100个涉及可转座元件，分布在约823个基因附近。许多这些基因在其他植物中已知参与应对寒冷、干旱和高温。例如，一处可移动元件的插入出现在一个名为TLP3的抗逆基因上游，位于很可能调控该基因表达强度的区域。该插入在经历更极端降雨波动的群体中较常见，而在环境更稳定的区域则较稀少，提示它可能帮助植物应对不稳定的水分条件。在季节温差较大的地区，参与冷响应的基因也呈现出类似的分布模式。

用今天的葡萄测试明天的气候

发现与气候相关的变体是一回事；另一个问题是这些变体在未来条件下会有多大用处。为此，团队训练了机器学习模型，预测在本世纪中叶和末期的气候情景下，各群体中适应性变体的频率需如何改变，才能使群体继续与环境相匹配。他们据此计算了每个群体的“遗传偏离”（genetic offset）——衡量其当前基因构成与未来气候可能要求之间距离的指标。当仅用传统的小型DNA变异建模时，许多群体，尤其是分布于东北部分的群体，显示出较高的偏离值，意味着它们需要显著的遗传改变以跟上气候变化。但当研究者在模型中加入这些适应性可转座元件变体后，各情景下的预测偏离值大约下降了7–8%，表明这些大型结构性变异提供了额外的适应余地。

这对葡萄与更广泛领域意味着什么

对非专业读者而言，结论是“跳跃基因”并非只是基因组垃圾；它们可以作为内生的创新引擎，帮助野生植物应对严酷且变化的环境。在黑龙江葡萄中，这些元件与普通变异聚集在一起，似乎微调了参与耐寒、耐旱等胁迫响应的基因。通过减轻未来气候下所需的遗传调整，它们可能使某些野生群体比原本更具韧性。对育种者和保护工作者而言，这项研究突出了像黑龙江葡萄这样的野生近缘种作为储备气候适应性性状的重要性，并表明在为未来设计抗逆作物或决定哪些野生群体最需保护或辅助迁移时，应将结构性变异纳入考量，而不仅仅局限于简单的DNA字母变化。

引用: Ma, Z., Xu, X., Peng, W. et al. Population genomics reveals association of transposable elements variants with climatic adaptation in wild Amur grape. Nat Commun 17, 3213 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70026-w

关键词: 黑龙江葡萄, 气候适应, 可转座元件, 泛基因组, 作物抗逆性