雜交優(yōu)勢(shì)是常見的生物學(xué)現(xiàn)象，并被廣泛應(yīng)用于動(dòng)、植物和食用菌育種中，為全球農(nóng)牧業(yè)的持續(xù)增產(chǎn)做出了巨大貢獻(xiàn)。雜交優(yōu)勢(shì)也一直是科學(xué)研究的重大課題，自從達(dá)爾文最早觀察到這一現(xiàn)象之后，對(duì)雜交優(yōu)勢(shì)遺傳和分子機(jī)制的研究已經(jīng)持續(xù)了近一個(gè)半世紀(jì)，提出了各種不同的假說，包括顯性（dominance）、超顯性（overdominance）和上位顯性（epistasis）等，每一假說都有各自的實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持。為統(tǒng)一不同的假說和觀點(diǎn)，有人提出了能量利用效率假說，但這一假說僅限于理論推斷，尚缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持。
釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）作為最常用的模式真核生物，也越來越多地被應(yīng)用于雜交優(yōu)勢(shì)的遺傳和分子機(jī)制研究中，但不同的研究得出的結(jié)論不同。中國(guó)科學(xué)院微生物研究所真菌學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室白逢彥團(tuán)隊(duì)前期的研究發(fā)現(xiàn)釀酒酵母的野生群體均是純合體，而來自發(fā)酵環(huán)境的馴養(yǎng)群體均是雜合體。馴養(yǎng)群體的發(fā)酵和抗逆能力均顯著提高，說明馴養(yǎng)群體可能起源于由野生菌株雜交形成的雜合體祖先，從而獲得了雜交優(yōu)勢(shì)。為了驗(yàn)證野生菌株雜交能否產(chǎn)生雜交優(yōu)勢(shì)，并揭示雜交優(yōu)勢(shì)的分子機(jī)制，本研究獲得了640多株由具有不同遺傳距離的野生菌株雜交形成的雜合子，發(fā)現(xiàn)在40°C下，絕大多數(shù)雜合子表現(xiàn)出顯著的雜交優(yōu)勢(shì)，只有很少數(shù)表現(xiàn)為雜交劣勢(shì)。雜交優(yōu)勢(shì)隨親本遺傳距離的增加而增加，但超過一定距離后，呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，說明存在一個(gè)產(chǎn)生雜交優(yōu)勢(shì)的最適雙親遺傳距離（圖1）。
圖1. 野生釀酒酵母F1代雜合子40°C下生長(zhǎng)的雜交優(yōu)勢(shì)（A, B）和雜交優(yōu)勢(shì)與雙親遺傳距離的關(guān)系（C）。
代表雜合子和親本的轉(zhuǎn)錄組分析顯示，非疊加基因（NAG）的數(shù)量相對(duì)于疊加基因（NA）雖然很少，但在優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)雜合子間存在顯著差異，在優(yōu)勢(shì)雜合子中表達(dá)水平被上調(diào)的NAG，在劣勢(shì)雜合子中被下調(diào)，反之亦然（圖2）。在優(yōu)勢(shì)雜合子中被下調(diào)的NAG數(shù)量顯著高于被上調(diào)的NAG數(shù)量，但在劣勢(shì)雜合子中則相反。說明這些NAG與雜交優(yōu)勢(shì)有關(guān)。
圖2. 釀酒酵母野生菌株雜合子在40°C下生長(zhǎng)時(shí)非疊加基因的表達(dá)水平（A），GO富集分析（B, D）和富集通路網(wǎng)絡(luò)（C,E）。
GO和KEGG分析發(fā)現(xiàn)，在優(yōu)勢(shì)雜合子中被下調(diào)而在劣勢(shì)雜合子中被上調(diào)的NAG多被富集在與脅迫反應(yīng)、DNA修復(fù)和蛋白質(zhì)質(zhì)量控制等相關(guān)的通路中，說明劣勢(shì)雜合子需要更多地應(yīng)對(duì)因高溫脅迫而引起的DNA損傷和蛋白質(zhì)合成與折疊錯(cuò)誤等，而高溫并未對(duì)優(yōu)勢(shì)雜合子造成這些損害。在優(yōu)勢(shì)雜合子中被上調(diào)而在劣勢(shì)雜合子中被下調(diào)的NAG多被富集在一碳代謝和相關(guān)通路中（圖2）。這些通路與NADPH生成和還原態(tài)維持相關(guān)，說明雜交優(yōu)勢(shì)菌株可更高效地應(yīng)對(duì)高溫引起的氧化壓力，而劣勢(shì)菌株則否。
ROS水平測(cè)試證實(shí)，優(yōu)勢(shì)雜合子細(xì)胞內(nèi)的ROS顯著低于劣勢(shì)雜合子和親本。敲除一碳代謝通路中的關(guān)鍵基因ADE3或MTD1，均可以導(dǎo)致優(yōu)勢(shì)雜合子在40°C下細(xì)胞ROS水平和NADP+/NADPH比率的顯著升高和生長(zhǎng)能力的顯著降低。加入ROS清除劑N-乙酰-L-半胱氨酸，則可以恢復(fù)敲除株在40°C下的生長(zhǎng)能力，也可促進(jìn)劣勢(shì)雜合子和親本菌株的生長(zhǎng)能力，而對(duì)優(yōu)勢(shì)雜合子野生型則無(wú)影響，甚至有負(fù)作用（圖3）。說明應(yīng)對(duì)氧化壓力效率的差異是引起優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)雜合子及其親本菌株在高溫下生長(zhǎng)能力差異的關(guān)鍵因素。
圖3. ADE3基因敲除對(duì)雜合子在40°C下的生長(zhǎng)能力（A, B）和胞內(nèi)氧化壓力（C）的影響。
總之，本研究顯示，具有合適遺傳距離的野生釀酒酵母菌株雜交可產(chǎn)生顯著的雜交優(yōu)勢(shì)，優(yōu)勢(shì)雜合子可更高效地調(diào)控基因表達(dá)，在高溫脅迫下可通過上調(diào)一碳代謝為中心的相關(guān)代謝通路，有效地維持細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài)，從而維持細(xì)胞的正常生長(zhǎng)。與親本和劣勢(shì)雜合子相比，優(yōu)勢(shì)雜合子由于不需要上調(diào)大量基因以應(yīng)對(duì)DNA和蛋白質(zhì)損傷及氧化脅迫帶來的其他損傷，也表現(xiàn)出更高的能量利用效率。本研究揭示了釀酒酵母雜交優(yōu)勢(shì)和高溫耐受的新的分子機(jī)制，也為動(dòng)植物雜交優(yōu)勢(shì)分子機(jī)制的研究提供了新的啟示和線索。
本研究以“Improvedredox homeostasis owing to the upregulation of one-carbon metabolism andrelated pathways is crucial for yeast heterosis at high temperature”為題，于2021年4月1日正式發(fā)表在Genome Research上。論文共同第一作者為本所博士研究生宋亮和史軍艷，通訊作者為白逢彥研究員。本研究得到了中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目和科技部國(guó)際合作項(xiàng)目的資助。
原文鏈接：https://genome.cshlp.org/content/31/4/622.full.pdf+html
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