植物杂种优势分子机理研究进展

文定青，姚全胜，王松标，魏永赞，石胜友，王一承，梁清志(中国热带农业科学院南亚热带作物研究所，国家热带果树种质资源圃，广东湛江524091)

杂种优势是遗传基础不同的2个及以上亲本杂交产生的杂合子在生物学产量、植株大小、发育速度、生活力、繁殖能力、抗病及抗虫的能力和对其他不良环境忍耐力等方面都比其双亲优越的一种自然现象［1］。杂种优势的概念首先是由达尔文观察、研究自交系玉米杂交产生的杂种一代在产量上比其亲本增产25%后提出来的［2］。此后，这种现象在1908年分别被Shull和East同时再次发现时，有关杂种优势机理的研究、利用才真正受到重视。自此，有关杂种优势的理论研究和应用取得了长足的发展，20世纪30年代杂交烟草开始蓬勃发展，70年代杂交水稻开始大面积推广。至今，已在玉米、油菜、棉花、烟草、麻类等植物中都发现具有杂种优势并且获得了大面积的推广和应用［3］。近年来，随着分子生物学技术的发展和完善，人们在杂种优势分子机理方面的研究取得不少进展。

1 数量遗传学与杂种优势

1.1 经典数量遗传学与杂种优势 过去，人们认为亲本之间的差异是产生杂种优势的遗传基础，但随着研究的深入，这种情况变得越来越复杂。这种复杂性主要是因为很多性状是由众多微效多基因控制的，因此必须用基因网络的系统来解释杂种优势机理［4－7］。经典的数量遗传学是基于微效多基因假说，采用统计的方法来研究杂种优势，故而也称统计遗传学或者生物统计遗传学，经典数量遗传学采用遗传模型的方法来分析杂种优势，常用的遗传模型分析方法，遗传方差和协方差，采用ANOVA法、ML或REML法和MINQUE法估算，基因效应的分析采用最小二乘估计法和线性无偏估计法，常用的遗传模型有加性—显性遗传模型分析法、加性—显性—上位性模型分析法、包括母体效应的遗传模型分析法以及包括细胞质和母体效应的遗传模型分析法。经典数量遗传学是从群体的角度去估计数量性状位点和效应，不能分析复杂的效应和准确估计单基因的遗传效应［8］。经典遗传学用2个“思想”来解释杂种优势的现象，一个是“显性假说”，另一个是“超显性假说”［9］。

(1)显性假说。Bruce和 Jones等人［10－11］对杂种优势进行了多年的研究，其研究结果表明:许多显性基因有助于植物个体的生长和发育，而相对应的隐性基因不利于植物个体的生长和发育。植物杂合体进行自交或者近交，在后代中就会出现子代纯合体的机会，进而发现这些纯合体的有害性状由隐性基因所调控，植物杂合体进行自交和近交导致植株活力下降的现象也叫自交衰退。相反，如果选用血缘关系有一定差异的纯合自交系之间进行杂交，那么一个亲本含一些有害隐性等位基因在杂合体中就会被别的亲本相对应的显性等位基因所遮盖，从而消除了有害隐性基因的影响，增强了植物杂交后代的生长势，这就是杂种优势的显性假说机理。但是，由于植物杂种优势的表现涉及到成千上万的基因，不可避免地，一些有害的隐性基因和一些有利的显性基因连锁，要使植物杂合子中所有的有害隐性基因都被相对应的显性等位基因所遮盖，其概率是微乎其微的，不可能获得只有显性有利基因而无有害隐性基因的杂交种或自交系。杂交种的杂合子只是大部分有害隐性基因的作用被有利显性等位基因所遮盖，这就是很多优良植物杂交种仍有这样或那样缺点的原因。这种由显性有利等位基因遮盖有害隐性等位基因的学说就是显性假说，其构成的杂种优势也叫突变性杂种优势，这也是自然界消除有害隐性等位基因的一种保护性措施。相对来说，野生型基因一般是显性的，就是所谓的显性基因，多编码具有生物学活性的蛋白质，而突变等位基因一般是隐性的，这些等位基因多编码降低或者失去活性的蛋白质。用更简单形象的话说，杂合体AaBb的生活力要高于纯合体AAbb或aaBB，这就是显性假说所解释的植物杂种优势的生化基础［12］。

(2)超显性假说。Shull等人［13］的研究结果表明杂种优势是由基因型不同的配子杂交结合后产生的一种现象。比如一些基因座位上的不同的等位基因(比如一个自交系是A1等位基因和另一个自交系是A2等位基因)，其在杂合体中等位基因之间的互作构成了一个杂种优势位点，由数量众多的杂种优势位点构成的杂合体(A1A2、B1B2、C1C2…)自然比亲本纯合体(如A1A1及A2A2)表现出更强的生长优势，相应的，杂种优势由数量众多的等位基因间杂合构成的，这就是显性假说的机理［12］。近年来，超显性假说也取得了一些强有力的证据。Ishikawa［14］在2009年利用265个F2老鼠杂交群体，在小鼠出生后的第1、3、6和10周对老鼠体重进行了动态QTL(数量性状位点)定位，结果一个显著影响老鼠体重的命名为Pbwg 1.10的QTL在第6和10周被定位到，表现出超显性效应，证明超显性是杂种优势的遗传基础。Semel［15］认为，虽然杂种优势的机理现在仍不很清楚，但通过研究发现超显性是杂种优势的重要遗传基础，当前存在争议的原因，是全基因组扫描的群体，基因之间互作常常影响单位点的效应，为了评估超显性效应对杂种优势的贡献，其构建了一个缺乏上位性效应的西红柿为材料的近等基因系群体，此群体携带用分子标记检测的具有野生西红柿的染色体片段，检测到了一个影响西红柿产量的超显性QTL，通过遗传分析发现这个超显性QTL符合孟德尔分离规律，因此认为超显性是杂种优势的一个重要遗传基础，经过多年努力，这个超显性QTL被成功克隆［16］。Guo等［17］利用棉花染色体片段导入系构建的群体分析了杂种优势的遗传机理，结果再次表明，超显性是棉花杂种优势的重要遗传基础。这些结果都强有力地证明了超显性是杂种优势的遗传基础。

1.2 分子数量遗传学与杂种优势 近年来，随着分子遗传学的发展，人们发现在DNA水平上具有更多的多态性，而这种多态性与潜在的基因相关联，这是经典的数量遗传学仅用农艺性状标记结合数理统计分析方法所无法分析到的。由此，DNA分子标记与经典的数量遗传学相结合产生了分子数量遗传学，分子标记技术被用来构建遗传连锁图谱，分析各个QTL的相互关系和其对植物杂种优势的贡献，这在全基因组分子水平一定程度上解释了植物杂种优势的机理［18］。

基于分子数量遗传学的发展，经典的显性假说和超显性假说都在实验中得到了验证。然而，科学家在研究的过程中遇到了很多无法解释的现象:根据显性假说，杂种优势的产生主要是由于显性等位基因掩盖了隐性等位基因的有害作用，杂种优势的大小取决于纯合亲本中纯合隐性基因的数目，这些纯合隐性基因有可能在杂交时形成尽可能多的显、隐杂合位点从而形成杂种优势，然而一个纯合的亲本个体中聚集如此众多的纯合隐性基因对亲本来说是致死的;另一个现象是2个纯合亲本之间杂交形成的F1代，其基因来源于双亲的基因，没有外源新的基因的加入，也没有形成新的基因。根据这2种假说，在玉米中，预测的杂种优势不能超过5%，然而在实际育种中，研究者获得了超出亲本20%甚至50%的杂种优势［19］。由于杂种优势的复杂性，很多杂种优势的现象根本无法用上述2种假说进行解释，上位性就是基于以上原因提出来的，并且这在一定程度上调和了上述2种假说带来的困惑，结束了上百年来科学家对上述2种假说的争论［20］。

上位性是杂种优势重要的遗传基础，近年来被国内外科学家提出并获得了广泛的重视和研究［20－23］。上位性最早由Wright提出［24］，上位性即非等位基因之间的互作，是杂种优势一个核心的遗传基础。Yu等［21］利用优良杂交水稻汕优63的F2∶3进行了杂种优势的剖析，在单位点水平上发现了很多影响产量及其构成因子性状的QTL，并进行了上位性分析，结果发现:上位性是杂种优势的一个重要遗传基础。Hua等［20，23］利用“永久”F2群体进行了杂种优势的遗传机理剖析，结果发现:在产量及其构成因子性状中，AA上位性互作占绝大多数，DD上位性互作类型最少，进一步上位性分解证明，显性效应及上位性效应是优良杂交水稻汕优63的重要遗传基础，杂合子未必对杂种优势有利。Tang等［22］利用优良玉米杂交种豫玉22构建“永久”F2群体并进行了玉米杂种优势的剖析，得出了与Hua等［20，23］几乎相同的结论。Liang等［25］用优良的陆地棉杂交种欣杂1号的F2家系为主体，研究了棉花苗期根系发育的动态杂种优势，结果表明上位性是棉花根系发育及杂种优势的重要遗传基础。Radoev等［26］研究结果表明:部分显性、超显性及上位性效应是油菜杂种优势的遗传基础。上述杂种优势遗传基础之上位性的分析分别在水稻、玉米和棉花中进行，都得出了相似的结论，进一步表明了上位性是杂种优势的重要遗传基础。

2 植物基因调控表达与杂种优势

目前，国内外研究者利用分子标记技术对拟南芥、玉米、水稻、油菜、棉花等不同的植物进行了QTL定位及其效应分析，在一定程度上了解了植物杂种优势的分子机理。但与此同时，另外一个问题使众多研究者感到困惑，即具有遗传差异的双亲的产量等性状并不好，它们杂交形成的杂合一代，其基因组来自于双亲，并没有从外界摄入新的遗传物质，但它们的产量等性状却远远优越于其双亲性状。这些疑问迫使研究者去对杂合一代和其双亲的遗传差异进行研究。基因差异表达为人们解开了这方面的谜团［27］。

2.1 基因的差异表达与杂种优势 在真核生物的生命现象中，从个体的发育、生长、衰老、死亡，到组织、细胞的分化、凋亡或肿瘤的恶化以及细胞对各种生物、理化因子的应答，本质上都涉及基因在时间上或空间上的选择性表达，即基因的差异表达。植物基因的差异表达与植物不同发育阶段的生物学性状及其功能密切相关，已成为生命科学的重要研究课题。比较不同细胞或不同基因型的个体在基因表达上的差异，是研究生命过程分子机制的基础，差异表达的基因通常用稳定状态下mRNA的丰度高低有无来比较。差异表达基因有2个含义，即表达基因的种类改变和基因表达量的变化［28－31］。

王章奎等［32］用基因差异表达的方法在小麦拔节期对根进行基因差异表达研究，结果表明:小麦杂交种和自交系亲本间基因表达的差异条带表现为4种类型:第1种双亲共沉默类型，即该差异条带在小麦杂交种的双亲中都表达，但是在杂交种中却不表达;第2种单亲表达沉默类型，即该差异条带只出现在杂交种亲本之一，该差异条带在另一亲本及小麦杂交种中都没有表达;第3种杂交种特异表达类型，即该差异条带仅在小麦杂交种中出现，但在小麦杂交种双亲中都不表达;第4种单亲表达一致类型，即该差异条带在小麦杂交种及其双亲之一中表达，但在杂交种另一亲本中不表达。小麦杂交种及其双亲的这些不同的差异表达类型在不同组合的杂交种之间存在显著差异。尽管小麦不同杂交组合中不同基因的差异表达带型所占比例不同，但总的来说，大致趋势一致。进一步的相关分析结果表明，小麦基因差异表达模式与某些性状的杂种优势表现出显著的相关性，例如:双亲共沉默及单亲表达沉默类型与小麦主穗长及生物产量杂种优势呈显著正相关;单亲表达一致类型与小麦千粒重杂种优势呈显著正相关;而双亲共沉默及杂种特异表达类型与根冠比杂种优势呈显著正相关。熊立仲［33］研究结果表明:水稻剑叶杂种优势与双亲共沉默类型呈显著正相关，而与杂种特异表达类型呈极显著负相关的，即某些基因在杂交种中的表达受到抑制的情况下对产生正向杂种优势是有利的。吴利民［31］在小麦中的研究结果表明:双亲共沉默和单亲特异表达类型与杂种优势呈显著负相关;杂交种特异表达和单亲表达一致模式与杂种优势呈显著正相关。最近，Song等［34］利用基因差异表达技术分析了3个水稻杂交种及其亲本中的3 637个基因的表达差异与杂种优势的关系，结果表明:几乎所有的基因(97.3%)都在杂交种中表达，但在亲本之一中不表达。

以上结果使人们对基因表达调控的概念和杂种优势形成的机理有了更加深入的认识，来源于双亲基因组的杂合子的基因产生了特异表达，形成了杂种优势，也使人们认识到并非所有基因的表达都与杂种优势的形成正相关，反而某些基因的沉默是杂种优势的前提条件。

2.2 甲基化与杂种优势 数十年来，研究者一直认为生物体染色体上的基因翻译转录为生命所需要的各种蛋白质，并与生物体的外观表型密切相关。但随着研究的不断深入，人们也发现一些无法解释的现象:马和驴正反交的后代差别很大;同卵双生的2个人具有完全相同的基因组，即使在同样的环境中长大后他们在性格、健康状况等方面也会产生较大的差异，这些并不符合经典的孟德尔遗传学理论。这说明，在相应的基因碱基序列没有发生变化的情况下，一些生物体的表型却发生了变化。表观遗传学(Epigenetics)这一研究表观遗传变异的遗传学分支学科由此应运而生。表观遗传变异(Epigenetic variation)是指，在基因的DNA序列没有发生任何改变的情况下，基因功能却发生了可遗传的变化，并导致了最终表型的变化。表观遗传学的研究内容很多，包括DNA甲基化、X染色体剂量补偿、组蛋白乙酰化等，其中DNA甲基化的研究受到了人们极大的关注。DNA甲基化是指在DNA甲基转移酶的作用下，以S－腺苷甲硫氨酸为甲基供体，将甲基转移到胞嘧啶的5'位置上。DNA甲基化属于一种DNA修饰，它不改变分子的碱基顺序，只调控分子中基因的表达，因而称之为“外来修饰”。这些认识促使人们从DNA甲基化水平与转录调控角度去探索植物杂种优势的分子遗传机理［35－44］。

Cedar等［45］的研究结果表明:植物基因组DNA甲基化程度及分布与基因表达呈显著相关。Hepburn等［46］对植物DNA甲基化进行了研究，特别对DNA甲基化与基因的转录抑制表达进行了分析，认为自交能导致甲基化程度的逐渐积累，而杂交能使甲基化程度得以解除或重新编排。Tsaftaris等［47］对一个玉米杂交种及其双亲基因组DNA甲基化胞嘧啶占总胞嘧啶的比例进行了分析，发现2个亲本胞嘧啶甲基化比例分别为31.4%和28.3%，杂种则为27.4%，基因组表达活性与DNA甲基化存在显著负相关。由此认为:杂交种DNA甲基化降低与基因表达增强有关，也就是说，杂交种基因组DNA甲基化降低是植物杂种优势形成的原因。对玉米自交系、改良系和杂交种的基因组DNA甲基化程度及分布与基因表达的关系进行分析表明:DNA甲基化程度具有基因型、组织和发育时期特异性，且与环境互作显著;杂交种基因组DNA甲基化程度低于自交系;改良系DNA甲基化程度低于自交系;在密植条件下自交系DNA甲基化状态的改变较杂交种更明显。但Xiong等［48］对水稻杂交种及其双亲基因组的DNA甲基化进行的研究结果表明:2个亲本具有相同的甲基化(均为16.3%)，而在杂交种中甲基化比例为18%，结论与Tsaftaris［47］恰恰相反，他们认为在水稻杂种中虽然总体上甲基化程度与杂种优势不相关，但某些特异位点上甲基化程度的改变却对杂种优势有显著效应，有的位点上甲基化降低对杂种优势有利，而有的位点甲基化增强对杂种优势有利。这说明，杂种优势产生过程中并不仅仅是一些基因表达增强是有利的，相反，某些基因受到抑制对杂种优势的形成也是有利的。Wei等［49］的研究表明:DNA甲基化在基因的表达调控中起着重要的作用。为了研究DNA甲基化的遗传规律，作者选择了由2个棉花自交系正反交构建的2个F1植物种群，并分析了在正反交F1中的DNA甲基化水平和模式的变化，其运用甲基化敏感扩增片段长度多态性(MSAP)技术与以此技术开发的54个引物组合对甲基化进行了研究，结果表明，对于正反交F1，胞嘧啶甲基化的位点数量继承母本的模式远高于父本，这可能与细胞质遗传密切相关。

2.3 核质互作与杂种优势 从用传统的数量遗传学的方法来分析杂种优势到利用现代分子生物学的原理和技术来定位杂种优势位点，人们逐渐对杂种优势有了一个清楚的了解。孟凡荣等［50］的研究结果表明:具有相同优势亲本组合的正反交杂合一代，其基因表达存在严重差异。小麦正反杂交当代种子和亲本基因差异表达可归纳为特异型、沉默型和单亲表达3大类型。其中特异型包括:①正交特异表达型，基因仅在正交杂种中表达;②反交特异表达型，基因仅在反交杂种中表达。上述研究结果表明，不仅核基因参与了杂种优势的形成，母细胞器如叶绿体、线粒体等也可能是构成杂种优势的重要影响因子。

2.4 小RNA表达调控与杂种优势 杂种优势的本质就是基因的表达调控，对小RNA的深入研究必将在某种程度上剖析杂种优势的分子遗传机理。小RNA主要包括siRNA和miRNA，小RNA的长度一般在20～25 nt，其前体是有DNA转录成的串联重复mRNA，后经Dicer酶切割加工成的反向重复序列的miRNA，miRNA广泛存在于生物体内，具有特有的基因座位，其转录产物自身折叠成不完全匹配的发夹结构，与siRNA的区别是，siRNA与目标mRNA完全匹配，导致靶mRNA完全降解，从而导致基因沉默，而miRNA只是与靶mRNA不完全匹配，阻止翻译的顺利进行，是生物体内基因表达的负调控因子，在功能上参与植物器官形态的形成、对外界环境的应答、植物体的生长发育，激素的产生和信号的传导等生物学过程。miRNA在生物体内具有独立的转录位点，也可串联重复存在，一个转录单位可以被剪裁为若干个miRNA［51］，对miRNA功能的阐述是通过对靶基因的调控作用来检测的，目前对miRNA的预测是通过2种途径实现的，即生物信息学和生物芯片法。植物miRNA的前体物质长达1 kb［52］，miRNA 一般是由 RNA 聚合酶 II 转录的［53］。最近，Li等［54］利用小RNA的方法研究了小麦六倍体杂种优势的形成机理，结果表明，小RNA的动态调控是小麦六倍体杂种优势的重要原因。小RNA由于参与生物体内众多生化过程和基因表达调控过程，与杂种优势存在紧密的相关性，小RNA在生物体内的发现将极大地加速科学家对生命过程的认识，对理解杂种优势分子遗传机理的形成也提供了强有力的工具和手段。

3 植物杂种优势分子遗传机理研究展望

随着植物全基因组测序技术的完善和成本的降低，越来越多的植物全基因组被测序。Lai等［55］对6个玉米自交系及其杂交种进行了全基因组测序，检测到1 000 000 SNPs，30 000 indel多态性。到目前为止，对拟南芥［56］、水稻［57］等植物的全基因组都已经测序完。这些结果为深入研究植物杂种优势分子遗传机理的形成提供了信息基础。

生物体的杂种优势表现在整个生长发育时期，且其生长发育受环境影响很大。生物生长发育是一个动态的过程，其基因的表达与调控也处在一个变化的过程中，这种变化势必影响到其杂种优势的表现。还有的研究仅是选择生物发育的某个阶段，因此很难代表生物的整体表现。这也提醒人们应该从生物体的局部与整体、生长发育与环境的关系上系统地研究杂种优势的形成机理［25，44］。随着分子生物学和分子数量遗传学理论和技术的进步，人类揭示植物杂种优势分子遗传机理的时代将为时不远。

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