雜種優(yōu)勢的利用極大地提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量，是植物育種歷史中的里程碑事件，為解決糧食危機做出了巨大貢獻。大白菜是我國栽培面積最大的蔬菜作物，是城鄉(xiāng)居民的當(dāng)家菜，高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病一直是育種的重要目標(biāo)性性狀。大白菜是典型的異花授粉作物，雜種優(yōu)勢十分顯著。解析大白菜雜種優(yōu)勢形成的分子調(diào)基礎(chǔ)，對于大白菜產(chǎn)量與抗逆等性狀的分子改良具有重要的參考價值。
近日，Horticulture Research在線發(fā)表了蔬菜中心白菜課題組題為Genome-wide analysis of changes in miRNA forbid target gene expression reveals key roles in heterosis for Chinese cabbage biomass的研究論文，該研究對“北京新三號”及其雙親進行了microRNA（miRNA）、轉(zhuǎn)錄組和降解組分析，揭示了大白菜的生物量雜種優(yōu)勢的關(guān)鍵miRNA和靶向調(diào)控基因。
“北京新三號”是蔬菜中心上世紀(jì)90年代推出的秋播大白菜一代雜種，由于其雜種優(yōu)勢非常突出，20多年來一直占據(jù)我國秋播大白菜的主導(dǎo)地位，是研究大白菜雜種優(yōu)勢的理想材料。項目組以“北京新三號”及雙親為材料，選取苗期、蓮座期、包心期和成熟期四個時間點，比較了植株的生長發(fā)育狀況與生物量變化。研究發(fā)現(xiàn)，大白菜單葉重和生物量的相關(guān)性最為顯著，整個生育期生物量相關(guān)指標(biāo)的雜種優(yōu)勢都非常顯著（Figure 1）。
隨后，項目組選取了苗期和包心期對“北京新三號”及雙親進行了miRNA和轉(zhuǎn)錄組差異分析，并通過降解組測序驗證了差異表達miRNA的靶向調(diào)控基因。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)1雜種中大多數(shù)miRNA的表達水平低于中親值（MPV），并通過降解組測序鑒定了差異miRNA的靶基因。例如，bra-miR396和和bra-miR5722的靶基因分別為生長調(diào)控因子（GRF）和光捕獲蛋白基因（LHCB），參與了葉片發(fā)育和光合作用等途徑。基因富集分析表明，MPV-DEMs的靶基因在葉片形態(tài)發(fā)生、葉型和葉片發(fā)育等途徑顯著富集。轉(zhuǎn)錄組分析顯示，與親本相比，F(xiàn)1雜種中光合作用和葉綠素合成相關(guān)的差異基因（MPV-DEG）的表達水平顯著提高，從而導(dǎo)致F1雜種的光合作用能力和葉綠素含量增加。最后，我們在擬南芥中過表達了bra-miR396及其靶基因BrGRF4.2，證明二者在大白菜雜種優(yōu)勢形成中起到至關(guān)重要的作用（Figure 2）。該研究結(jié)果對于大白菜雜種優(yōu)勢的利用和高產(chǎn)育種具有重要的指導(dǎo)意義。
蔬菜中心白菜課題組李佩榮博士為該論文第一作者，于拴倉研究員和張鳳蘭研究員為共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、北京市農(nóng)林科學(xué)院院杰出科學(xué)家培育計劃、院基因組育種協(xié)同創(chuàng)新中心和國家自然科學(xué)基金等項目資助。該研究團隊近年來以提高白菜品種的產(chǎn)量和抗病抗逆性為育種目標(biāo)，基于基因組學(xué)、馴化選擇分析和圖位克隆等手段，鑒定了一批控制白菜開花、抗病及其與形態(tài)建成相關(guān)的功能基因，研究成果先后發(fā)表在Molecular Plant、Plant Biotechnology Journal、Plant Cell forbid Environment、Journal of Experimental Botany等雜志上。
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