分子标记在作物杂种优势研究中的应用

黄德文，戴林建，钟 军，戴 彬，张玉鹏

(湖南农业大学农学院，湖南长沙 410128)



分子标记在作物杂种优势研究中的应用

黄德文，戴林建*，钟 军，戴 彬，张玉鹏

(湖南农业大学农学院，湖南长沙 410128)

摘要在介绍了杂种优势的显性假说、超显性假说、上位性假说3种遗传机理假说的基础上，综述了在杂种优势群划分中常用的几种分子标记的原理、特点，并对分子标记在杂种优势研究中的进一步利用进行了展望。

关键词杂种优势；机理假说；分子标记

杂种优势是指遗传背景不同的2个亲本杂交产生的F1代在生活力、生长势、适应性、抗逆性、丰产性以及适应性等一个或多个方面优于双亲的现象。杂种优势现象最早于18世纪中期由德国学者在烟草种间杂交时发现，此后在不同的动植物中陆续被发现和利用，成为生物学界普通存在的生物学现象。由于其在植物增产提质方面具有显著的效果，被人们广泛应用于农业生产中。自20世纪30年代美国在生产上率先推广杂种玉米以来，杂种优势在主要农作物和许多园艺作物的生产上得到广泛应用，并取得了巨大成功，成为20世纪推动农业生产发展的重大技术创新。但由于杂种优势是一个复杂的数量性状，是基因和环境的共同产物，导致其产生的遗传机制研究在理论方面远落后于生产实践。随着分子生物学技术的发展，Stuber等[1]，Xiao等[2]，余四斌等[3]和Li等[4]分别对玉米、水稻等植物进行了功能基因组研究，为杂种优势的超显性、显性和上位性假说提供了分子证据，推动了杂种优势在分子层面上的研究。虽然对杂种优势的各个方面进行了大量遗传研究，但杂种优势的生物学机理仍阐释不全面，因此，深入探索杂种优势的分子机理对于作物遗传改良和育种实践具有重要意义。笔者综述了杂种优势的遗传机理假说，概括了利用生物学原理划分杂种优势群的方法，并对杂种优势的未来研究方向进行了展望。

1杂种优势遗传的机理假说

1.1显性假说显性假说首先由Bruce[5]提出，后来Jones[6]又进一步补充为显性连锁基因假说，简称显性假说。杂种后代由于其遗传了亲本的显性基因和隐性基因，其显性基因能掩盖隐性基因的表达。而多数显性基因有利于个体的生长发育，隐性基因不利于个体的生长发育，所以表现出杂种优势。根据此假说，杂合个体随着自交或近交的代数增加不可避免地增加了纯合个体的出现几率，暴露出隐性基因所代表的有害性状，因而造成自交衰退[7]。

显性假说虽然在一定程度上得到了一些试验的证据支持，但只考虑了等位基因中显性基因的作用，没有考虑到非等位基因的相互作用，忽略了杂种优势往往是由多个基因共同作用的结果，并不表现显隐性关系[8]。

1.2超显性假说 超显性假说是Shull[9]于1908年提出。该假说认为等位基因间无显隐性关系，杂种优势是双亲基因型的异质结合，引起等位基因间互作的结果。而亲本基因的异质结合本身就是杂种优势产生的根源，2个自交系的基因型差别越明显，杂种优势就越明显。杂种的这种差异发生在同一基因位点上，同一基因位点上有许多的微效基因，它们的共同作用导致了超出显性基因的效果[10]。

但由于此假说强调基因的杂合性和相互作用，而排斥了显性基因在杂种优势中的作用以及非等位基因间的相互作用，导致了杂种优势利用与实践结果不能完全吻合。

1.3上位性效应上位性是基于Wright的基因“网络”结构理论提出的，指的是非等位基因的相互作用，当2对基因在一起相互作用时，其基因型值偏离两者相加之值。经典遗传学研究表明，任何一个生物体的性状都是由许多不同基因相互作用的结果，上位性在遗传变异中起重要作用[11]。余四斌等[3]在分析水稻产量的上位性效应时发现这种基因间的互作现象普遍存在于植物中，其中包括显性基因之间，显性基因和加性基因之间，以及加性基因之间。并且认为，上位性效应是影响产量性状表现和杂种优势形成的重要遗传基础。

随着人们对杂种优势研究的深入，在前人研究的基础上，金钟诚[12]、Turbin、王得元等[13]、鲍文奎[14]还提出了活性基因效应假说、遗传平衡假说、遗传振动合成假说以及基因网络系统假说。

2杂种优势群的划分

杂种优势群是指遗传基础和遗传变异丰富，共祖关系密切，具有较多的有利基因和较高的一般配合力，品种性能良好的基础群体。它们大多是通过群内或群间自交系的杂交互渗而选育的改良系[8]。

在育种实践中，育种工作者以杂种优势群为依据，选育和改良植物品种。遗传差异较大的种群，能配制出优势较大的杂交种，而遗传差异较小的品种，获得较强优势组合的频率较少。因此，可以依据强优势组合选配亲本。尤其是在同一优势类群中，有计划地对表现优良的杂交亲本改良创新，将来源于不同优势群的自交系，根据杂种优势模式进行组配，从而有效提高育种效率[15]。

杂种优势的传统分群方法主要是通过分析植物的系谱和比较杂交后代的优劣对亲本优势群进行划分。随着现代生物化学技术的发展，分群方法进入量化阶段，共祖系数法、表型聚类法及分子标记法等多种分群方法应运而生，目前应用最广泛的是生化标记法和分子标记法。

2.1生化标记法 生化标记法主要指同工酶标记和贮藏蛋白标记。同工酶是由Market[16]于1975年提出，不同物种个体之间的不同基因型，由于其同工酶的种类和数量不同，则可以通过电泳出的同工酶谱差异来标记识别不同的品种和物种[17]。而同工酶差异主要是由决定酶蛋白本身的基因差异性表达造成的，它们从分子水平上反映了基因的相对差异，所以通过对其谱带的分析能快速简便地识别出编码这些谱带的基因位点和等位基因。目前利用最多的是酯酶和过氧化物酶。

贮藏蛋白可分为醇溶蛋白、谷蛋白、白蛋白和球蛋白等。目前贮藏蛋白的研究已在小麦、玉米、水稻等植物上开展，贮藏蛋白的电泳方法较多，仅小麦种子的醇溶蛋白就有20多种电泳方法。通过对电泳图的分析，可以进行植物的品种鉴定和种子纯度的检验，并且还能根据植物贮藏蛋白的指纹图谱数据库对植物进行分类[18]。

作为目前四大标记技术之一，生化标记法不仅经济方便，受生物生长环境影响小，数量丰富，而且有助于清楚地了解物种之间亲缘关系和系统进化进程，对于种质资源表型难以区分的物种鉴定提供了理论依据，能有效指导种质资源的收集。但由于蛋白质的稳定性差，易受盐浓度、pH以及温度的影响等，限制了生化标记的发展[19]。

2.2分子标记法分子标记是随着近几年来分子生物学的发展而逐步发展起来的新型遗传标记技术。它以DNA或mRNA的多态性为基础，能直接反映植物在DNA水平上的差异。相对于其他标记技术，分子标记具有明显的优越性：稳定性好，直接以DNA的形式表现，不受生长环境的影响，在植物体内各个组织均能检测到；数量多，丰富的基因组变异使DNA可标记数量丰富；多态性高，自然界中存在许多变异，为DNA标记提供了丰富的遗传材料；共显性好，分子标记大部分表现为共显性，能更好地鉴别植物基因类型[20]。

自1980年Bostein[21]最早发现DNA限制性片段长度多态性(RFLP)可以作为遗传标记以及1985年PCR技术诞生至今，分子标记技术不断发展，至今已经形成了四大类基于DNA多态性的分子标记技术。

第一类是基于分子杂交的DNA分子标记技术，其中最具代表性的是限制性片段长度多态性分子标记(RFLP)。由于限制性内切酶能识别DNA序列内的突变、插入或缺失，或者染色体结构的变化而造成的限制性片段数目和长度的变化，利用特定的限制性内切酶切割不同个体的基因组DNA，可得到不同长短、数量、种类的DNA片段，通过与DNA标记探针杂交，放射显影后即可得到不同的DNA限制性片段多态性图谱[22]。其标记可覆盖整个基因组并能稳定地存在于生物体内，但由于RFLP多态性偏低，技术难度大，成本高，而且需要用到放射性同位素，对人体有害，使得RFLP技术的应用存在一定的局限性。

第二类是以PCR技术为基础的分子标记技术。PCR技术是基于碱基互补配对原则，通过重复循环变性-退火-延伸这3个过程将目的基因扩增几百万倍。由于其具有特异性强、灵敏度高、操作简便、省时等特点，问世不久即成为第二代分子标记技术的核心，其中最具代表性的是随机扩增多态性DNA(RAPD)。其基本原理是通过PCR技术非定点地扩增含10个碱基的随机序列组成的寡核营酸引物，扩增引物经过电泳，染色后记录RAPD指纹图谱，从而进行DNA多态性分析。由于RAPD扩增引物序列短，复性温度低，导致其对反应体系的要求相对于第一代分子标记严格[23]。

第三类是与限制性酶切相结合的PCR标记。最具代表性的是扩增片段长度多态性分子标记(AFLP)，是由Vos等[24]建立的，其原理是利用限制性内切酶切割含有目的片段的基因，产生分子量大小不同的基因片段。然后使用特定的双链接头和DNA片段，用特定的引物对模板DNA进行扩增。AFLP技术容纳了RFLP和RAPD技术的优势，分析不受环境、季节、时间的限制，所需DNA量较少，敏捷高效，多态性高，用少量的选择性引物即可获得大量的多态性片段，且重复性好，结果可靠，适合大规模样品的研究。但其对基因组和限制酶要求高，操作步骤多，技能要求和成本较高，得到的多是显性标记，难以检测共显性标记，限制了AFLP技术在相关领域的应用[25]。

第四类是基于芯片技术的DNA标记。它是伴随着人类基因组计划而发展起来的一门高新技术，其原理是将大量的DNA探针以显微打印的方式有序地固化于支持物表面，然后与标记的样品杂交，通过对杂交信号的检测分析，得到样品的遗传信息[26]。其中应用最多的是单核苷酸多态性(SNP)标记。由于其克服了传统标记印记杂交操作复杂等缺点，被广泛应用于生物制药、DNA检测、环境保护、食品监督以及军事等领域[27]。

3展望

杂种优势的形成是以基因(DNA)-基因表达(mRNA)-蛋白质这个过程实现的，是一个由多种基因控制，多种效应相互影响，多因素协同作用的动态表达系统。所以，对于杂种优势的研究应从多个角度、多个层面，以动态的观点进行研究。

就基因层面而言，杂交并没有产生新的基因，不同基因的重新组合会产生不同的基因效应。因此，可以用多种方法对杂种优势的数量性状基因座(QTL)进行精确定位分析，确定主效QTL和抑制基因，以全面了解各个基因的作用及其相互之间的效应。

就表达层面而言，不同的基因组合有不同的基因表达类型，而不同基因的表达类型导致杂种后代不同的杂种优势表现。程宁辉等[28]分析汕优63水稻品种及其亲本的基因表现时，发现基因表达有特异性表达、沉默表达、减弱表达3种类型。因此，可以通过对杂交品种进行多种基因表达类型的研究，发现其普遍规律性，以了解各种基因表达类型的形成机制和作用原理。

就植物个体和环境层面而言，前人的研究大多是选择具有优势的杂种植株，研究其在某一时间段内的某些特征。而杂种植株的优势表现会受到所栽培品种和栽培环境的影响，并非一直存在，可能只发生于某些特定的环境或特定时期。所以，应从一个长期的、系统的角度综合研究杂种优势。

参考文献

[1] STUBER C W，LINCOLN S E，WOLFF D W，et al．Identification of genetic factors contributing to heterosis in a hybrid from alite maize inbred lines using molecular makers[J].Genetic，1992，132：823-839．

[2] XIAO J H，LI J M，YUAN L P，et al.Dominance is the major genetic basis of heterosis in rice as revealed by QTL analysis using molecular markers[J].Genetics，1995，140：745-754.

[3] 余四斌，李建雄，徐才国，等.上位性效应是水稻杂种优势的重要遗传基础[J].中国科学(C辑)，1998，28(4)：333-342.

[4] LI Z K，PINSON S R M，PARK W D，et al.Epistasis for three grain yield component in rice(OryzasativaL)[J].Genetics，1997，145：453-465.

[5] BRUCE A B.The Mendelian theory of heredity and the augmentation of vigor[J].Science，1910，32(827):627-628.

[6] JONES D F. Dominance of linked factors as a means of accounting for heterosis[J].Proc Natl Acad Sci USA，1917，3:310-312.

[7] 王思予.甜玉米遗传距离与杂种优势关系的研究[D].长春：吉林农业大学，2014.

[8] 林建丽，朱正歌，高建伟，等.植物杂种优势研究进展[J].华北农学报，2009，24(S2)：46-56.

[9] SHULL G H.The composition of a field of maize[J].Journal of heredity，1908，4：296-301.

[10] 马育华.植物育种的数量遗传学基础[M].南京：江苏科学技术出版社，1982：158-198.

[11] CHEVERUD J M，ROUTMAN E J.Epistasis and its contribution to genetic variance components[J].Genetics，1995，139：1455-1461.

[12] 金钟诚.活性基因效应假说[J].西南民族学院学报(自然科学版)，1994，20(2)：203-205.

[13] 王得元，殷秋妙，李颖，等.植物杂种优势的分子生物学研究进展[J].西北农业大学学报，1999，27(1)：94-98.

[14] 鲍文奎.机会与风险-40年育种研究的思考[J].植物杂志，1990(4)：4-5.

[15] 曾三省.中国玉米杂交种的种质基础[J].中国农业科学，1990，23(4)：1-9.

[16] MARKET C L.Lsozymes[M].NY：Academic Press，1975：1-4.

[17] 张微强，唐秀芝.同工酶与植物遗传育种[M].北京：北京农业大学出版社，1993.

[18] 桂腾琴.生物化学实验技术在植物遗传标记中的应用[J].黔西南民族师范高等专科学校学报，2007(1)：121-124.

[19] 李继耕.植物同工酶及其在植物遗传研究中的应用[J].植物学报，1980，6(4)：245-252.

[20] 辛亚云，邓小林，罗崇善.利用分子标记预测植物杂种优势研究进展[J].杂交水稻，2007，11(6)：1-5.

[21] BOSTEIN D R,WHITE R L,SKOLNICK M,et al.Construction of a genetic linkage map in man using restriction fragment length polymorphism[J].American journey of human genetics,1980,32:314-331.

[22] 姚宏伟，张立冬，孙金阳，等.DNA分子标记技术概述[J].河北渔业，2010(7)：42-44.

[23] 刘中华.烟草亲本分子标记预测配合力及杂种优势的研究[D].福州：福建农林大学，2007.

[24] VOS P，HOGERS R，BLEEKER M，et al.AFLP a new technique for DNA fingerprinting[J].Nucleic acids research，1995，23(21)：4407-4414.

[25] 吴谡奇，张进兴，洪旭光，等.分子标记技术的进展及其应用[J].高技术通讯，2001(4)：102-106.

[26] 孙凯，王秀荣，刘丽玲，等.基因芯片技术及其应用[J].东北农业大学学报，2006，37(7)：409-412.

[27] 裘敏燕，李瑶，谢毅，等.基因芯片技术及其应用[J].第二军医大学学报，2001，22(6)：534-536.

Application of Molecular Marker in the Research of Crop Heterosis

HUANG De-wen, DAI Lin-jian*, ZHONG Jun et al(College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128)

AbstractThe dominance hypothesis, overdominance hypothesis and epistatic hypothesis of three genetic mechanisms of the hypothesis were introduced. Based on these, the principles and characteristics of several commonly used molecular markers were reviewed in the division of crop heterosis group. Further application of molecular marker was forecasted in the research of crop heterosis.

Key wordsHeterosis; Mechanism and hypothesis; Molecular marker

收稿日期2015-12-24

作者简介黄德文(1992- )，男，湖南郴州人，硕士研究生，研究方向：烟草育种。*通讯作者，副教授，博士，从事烟草科学研究。

中图分类号S 188+.1

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)02-174-03