物种是如何在漫长的进化长河中分化并适应环境的？除了我们熟知的线性DNA序列变化，基因组在细胞核中的三维（3D）折叠方式是否也扮演着关键角色？2026年4月24日，环球体育hq王婧团队在国际权威学术期刊Nature Ecology & Evolution上发表了题为“Dynamic reorganization of three-dimensional genome architecture during Populus diversification”的研究论文。该研究首次从宏观演化尺度，揭示了杨属（Populus）物种分化过程中三维基因组架构的演化规律，及其在生态适应中的重要作用。
在课题组前期构建的杨属超泛基因组研究成果（Shi et al., Molecular Plant, 2024，封面文章及高被引论文）基础上，团队进一步将研究维度从一维线性序列拓展至三维空间构象。团队构建了11个具有系统发育代表性的杨属物种的高分辨率三维基因组图谱（图1），并结合RNA-seq、ATAC-seq、WGBS-seq和群体基因组等多组学数据开展了全面的比较分析。研究发现，区分活跃（A）和非活跃（B）染色质的A/B区室在物种间高度保守。其中，A区室富集了核心基因，呈现出高基因表达、低DNA甲基化和高染色质可及性的特征。相比之下，更精细的拓扑关联结构域（TAD）在物种间表现出显著的分化，且随着物种分化时间的增加，保守TAD的比例呈逐渐下降趋势。
图1 杨属11个物种的三维基因组演化模式解析
有趣的是，研究发现TAD在杨属物种分化过程中呈现出“边界保守、内部活跃”的演化特征（图2）。TAD边界受到强烈的纯化选择约束，显著富集核心功能基因和保守非编码序列，在进化过程中表现出高度的稳定性。与此相反，TAD内部区域则更加活跃，成为结构变异（SVs）和转座子（TEs）积累的“热点”区域。这种内部的活跃性在很大程度上驱动了不同物种间三维染色质的重塑，从而可能为长寿命林木基因组提供了更大的演化灵活性与适应潜力。此外，该研究还深刻揭示了线性基因组变异（尤其是结构变异）与三维基因组重塑之间的紧密联系。
图2 杨属物种分化过程中，染色质拓扑关联结构域（TAD）呈现“边界保守、内部活跃”的演化特征
通过进一步结合分子功能实验，研究人员在热休克转录因子基因 HSFA2 的3'非翻译区（3' UTR）发现了一个跨物种固定的约76 bp的插入/缺失（InDel），该变异恰好位于发生分化的TAD边界附近。功能验证表明，这个InDel能够调节 HSFA2 的表达活性，进而导致白杨组和青杨组物种在面对热胁迫时表现出差异化的响应模式（图3）。这一发现强有力地证明了三维基因组架构的改变不仅是演化的副产物，更是驱动物种分化和生态适应的重要分子机制。
图3 结构变异（SV）驱动种间三维基因组重塑与环境适应性分化的实验验证
综上所述，该研究首次揭示了杨属物种三维基因组在演化过程中兼具“保守性”与“灵活性”的特征，为理解长寿多年生植物如何在漫长演化中平衡遗传稳定性与环境适应性，提供了全新的三维调控理论框架。同时，该研究提出了靶向三维结构元件（如TAD边界）进行基因编辑与分子育种的新策略，为改良杨树的关键性状（如耐热性）提供了重要的理论指导。
环球体育app王婧教授为该论文的唯一通讯作者，课题组已毕业博士生施婷婷、在读博士生龙涛和已毕业硕士生武佳丽为论文共同第一作者。该研究得到了国家重点研发计划青年科学家项目（2022YFD2201200）、国家自然科学基金（32371695）、四川省自然科学基金（2026NSFSC0203）以及环球体育hq“从0到1”原创研究青苗计划（2023SCUNL105）等项目的资助。
