鄧興旺/何光明團隊揭示擬南芥生物量雜種優勢的遺傳機制

雜種優勢是一個古老而重要的生物學現象，指雜交子代在生長勢、產量和抗性等多方面優於其親本。利用雜種優勢可以大幅提高農作物的生物量和產量，例如家喻戶曉的雜交水稻就是雜種優勢利用的一個重要成就。然而，對於雜種優勢遺傳機制認識的不足限制了其在農作物育種上的進一步利用。從分子水平上解析雜種優勢產生的機制迫在眉睫。模式植物擬南芥不僅具有生長周期短、人工雜交簡單、雜種優勢明顯等特點，而且與水稻等農作物不同的是，擬南芥自然群體未經人工馴化。因此，利用擬南芥自然群體為研究材料有利於揭示雜種優勢最本質的遺傳機制。

鄧興旺/何光明研究團隊採用來自全球各地不同擬南芥生態型配製了大量雜交組合，並利用其中200個雜交組合進行苗期生長和生物量雜種優勢的研究。結果顯示，擬南芥生物量雜種優勢極普遍存在，由多個不同性狀共同決定，並與雜交後代的基因組雜合程度相關。進一步利用全基因組關聯分析（Genome-Wide Association Study，GWAS）全面系統地鑒定到控制生物量雜種優勢的SNP（Single Nucleotide Polymorphism）位點和候選基因。分析表明，生物量雜種優勢源於多個SNP位點的聚合，這些位點對應的候選基因參與細胞、代謝、發育和刺激響應等多個生物學過程。其中重要候選基因包括WUSCHEL、ARGOS以及多個涉及細胞周期調控的基因，它們是調控擬南芥生長發育的關鍵因子，其有利等位基因在雜交子代中的積累可能對生物量雜種優勢起重要貢獻。通過詳細分析代表性雜交組合的轉錄組，發現雜種優勢候選基因顯著富集於環境刺激響應通路，而且，刺激響應相關基因的表達在雜交子代中受到顯著調控，表現為在強優勢組合中其表達被明顯抑制，而在弱優勢組合中保持穩定。以上結果表明，擬南芥生物量雜種優勢來源於兩個方面的綜合效應：一是對生長發育有利的等位基因的積累使雜交子代處於比其親本更好的生長發育狀態；二是環境刺激響應通路在雜交子一代中的抑制通過生長-抗性之間的平衡調節作用，使雜交子代在正常生長條件下優先生長。該項研究揭示的擬南芥生物量雜種優勢的分子機制不依賴於特定物種和特定性狀，在植物中具有普適性，對於開展農作物生物量雜交優勢研究具有重要借鑒意義，並為進一步增強雜種優勢的利用潛力提供理論指導。

圖1：環境刺激響應相關基因在生物量雜種優勢中的作用

該項研究成果於2017年7月11日以「Genomic architecture of biomass heterosis in Arabidopsis」為題在線發表於《美國科學院院報》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）。生命科學學院博士後楊玫和王訓成為該論文的共同第一作者，鄧興旺教授和何光明副研究員為共同通訊作者，參與該項研究的還有黃浩博士以及博士生任荻秋和徐米琪。該研究工作得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金、蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室以及北大-清華生命科學聯合中心的資助。

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