邓兴旺/何光明团队揭示拟南芥生物量杂种优势的遗传机制

杂种优势是一个古老而重要的生物学现象，指杂交子代在生长势、产量和抗性等多方面优于其亲本。利用杂种优势可以大幅提高农作物的生物量和产量，例如家喻户晓的杂交水稻就是杂种优势利用的一个重要成就。然而，对于杂种优势遗传机制认识的不足限制了其在农作物育种上的进一步利用。从分子水平上解析杂种优势产生的机制迫在眉睫。模式植物拟南芥不仅具有生长周期短、人工杂交简单、杂种优势明显等特点，而且与水稻等农作物不同的是，拟南芥自然群体未经人工驯化。因此，利用拟南芥自然群体为研究材料有利于揭示杂种优势最本质的遗传机制。

邓兴旺/何光明研究团队采用来自全球各地不同拟南芥生态型配制了大量杂交组合，并利用其中200个杂交组合进行苗期生长和生物量杂种优势的研究。结果显示，拟南芥生物量杂种优势极普遍存在，由多个不同性状共同决定，并与杂交后代的基因组杂合程度相关。进一步利用全基因组关联分析（Genome-Wide Association Study，GWAS）全面系统地鉴定到控制生物量杂种优势的SNP（Single Nucleotide Polymorphism）位点和候选基因。分析表明，生物量杂种优势源于多个SNP位点的聚合，这些位点对应的候选基因参与细胞、代谢、发育和刺激响应等多个生物学过程。其中重要候选基因包括WUSCHEL、ARGOS以及多个涉及细胞周期调控的基因，它们是调控拟南芥生长发育的关键因子，其有利等位基因在杂交子代中的积累可能对生物量杂种优势起重要贡献。通过详细分析代表性杂交组合的转录组，发现杂种优势候选基因显著富集于环境刺激响应通路，而且，刺激响应相关基因的表达在杂交子代中受到显著调控，表现为在强优势组合中其表达被明显抑制，而在弱优势组合中保持稳定。以上结果表明，拟南芥生物量杂种优势来源于两个方面的综合效应：一是对生长发育有利的等位基因的积累使杂交子代处于比其亲本更好的生长发育状态；二是环境刺激响应通路在杂交子一代中的抑制通过生长-抗性之间的平衡调节作用，使杂交子代在正常生长条件下优先生长。该项研究揭示的拟南芥生物量杂种优势的分子机制不依赖于特定物种和特定性状，在植物中具有普适性，对于开展农作物生物量杂交优势研究具有重要借鉴意义，并为进一步增强杂种优势的利用潜力提供理论指导。

图1：环境刺激响应相关基因在生物量杂种优势中的作用

该项研究成果于2017年7月11日以“Genomic architecture of biomass heterosis in Arabidopsis”为题在线发表于《美国科学院院报》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）。生命科学学院博士后杨玫和王训成为该论文的共同第一作者，邓兴旺教授和何光明副研究员为共同通讯作者，参与该项研究的还有黄浩博士以及博士生任荻秋和徐米琪。该研究工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室以及北大-清华生命科学联合中心的资助。

本公众号由中国科学院微生物研究所信息中心承办