雜種優(yōu)勢是指不同遺傳背景的兩個親本雜交產(chǎn)生的子一代（雜交F1、雜交種）在生物量、產(chǎn)量等多方面表現(xiàn)優(yōu)于雙親的現(xiàn)象，一些主要農(nóng)作物雜交種的推廣使用為世界糧食安全保障作出了重要貢獻。然而，雖然經(jīng)過多年的廣泛研究，雜種優(yōu)勢產(chǎn)生的遺傳機理、特別是分子機制迄今依然還不十分清楚，從而限制了該現(xiàn)象在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的深入利用。

 

　　2021年4月13日，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院與生命科學(xué)學(xué)院鄧興旺實驗室何光明課題組在《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）上以Article的形式在線發(fā)表題為“Biological pathway expression complementation contributes to biomass heterosis in Arabidopsis”的研究論文，揭示了生物學(xué)通路的表達互補調(diào)控擬南芥生物量雜種優(yōu)勢的形成。

 

　　植物雜種優(yōu)勢往往最明顯地表現(xiàn)在生長或生物量上。在植物幼苗生長階段，地上部分生物量的雜種優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：與親本相比，雜交F1具有更強的生長勢，生長速率更快，在相同時間內(nèi)能夠積累更多的生物量。課題組前期對200個擬南芥雜交組合的雜種優(yōu)勢進行了評測，其中Col-0 × Per-1雜交F1表現(xiàn)出最強的生物量雜種優(yōu)勢（Yang et al., 2017, PNAS）。為了深入解析該雜交組合雜種優(yōu)勢形成的分子機制，本研究對該雜交組合的雜交F1及其親本進行了幼苗發(fā)育過程中高分辨率時序動態(tài)生長表型及轉(zhuǎn)錄組圖譜的測定和整合分析。通過加權(quán)基因共表達網(wǎng)絡(luò)分析（WGCNA）發(fā)現(xiàn)，雖然親本和F1之間基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)總體相對保守，但核心調(diào)控網(wǎng)絡(luò)卻表現(xiàn)出明顯差異。值得注意的是，網(wǎng)絡(luò)核心基因所富集到的兩個生物學(xué)通路（細胞周期和光合作用）在兩個親本之間呈現(xiàn)相反的表達模式，即細胞周期通路的核心基因在一個親本Col-0中表達水平較高，而光合作用通路的核心基因則在另一個親本Per-1中表達水平較高。令人感興趣的是，在幼苗發(fā)育過程中，這兩個通路的核心基因在雜交F1中表現(xiàn)為時空上顯性互補的高親表達模式。該結(jié)果暗示，雜交子一代可通過整合兩個親本分別在細胞分裂和光合作用這兩個對植物生長發(fā)育至關(guān)重要的生物學(xué)通路活力上的優(yōu)勢從而獲得強于兩個親本的生長優(yōu)勢。該發(fā)現(xiàn)對農(nóng)作物雜交育種具有指導(dǎo)性意義。

　　光合作用和細胞周期通路關(guān)鍵基因的高親顯性表達互補調(diào)控幼苗生長雜種優(yōu)勢

 

　　該研究由北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院與生命科學(xué)學(xué)院完成，現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院博士生劉文文為論文第一作者，鄧興旺教授和何光明副研究員為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點實驗室以及北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心的資助。