杂种优势的应用及基因表达的特点

王艳欣 ，王月星 ，王 位 ，王建蒙 ，柴 圆 ，戴豪杨 ，张文广

（1.内蒙古农业大学动物科学学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2.动物遗传育种与繁殖内蒙古自治区重点实验室，内蒙古呼和浩特 010018）

在自然界中杂种优势是一种普遍存在的现象，它是指具有遗传差异的2个亲本进行杂交，杂交子代在生长、繁殖和抵抗能力等性状表现上优于亲本的现象［1-2］。利用杂种优势可大幅度提高动物生产性能、生理机能、免疫力和农作物产量、品质、抗逆性等［3-4］。杂种优势的解析一直是人们特别关心和高度重视的问题，但由于其机理的复杂性，从古至今也没有统一的定论。

1 杂种优势在动植物中的应用

人类利用杂种优势的历史已经有几千年了。在动物方面，早在公元前5 000—前4 000年前就有记载，驴和马交配生产骡，骡的抗病能力、负重能力优于驴，而灵活性和耐力优于马［2］；以杜泊绵羊作父本，以小尾寒羊作母本生产杂交羊，羔羊生长速度、饲料报酬、羔羊肉的营养价值和风味都有所改善［5］；将大额牛与黄牛杂交之后，其后代结合了父母本很多优点，如肉质、生产性能、适应性和繁殖力等方面的优点［6］；为了提高整个猪场的经济效益，实行二元、三元杂交模式。在植物方面，杂交玉米已经推广到大面积种植；三系杂交的水稻同比常规稻增产20%以上；杂交高粱不仅抗性好、产量高，而且颗粒饱满，现在已经在全国广泛种植；杂交的棉花［7］，其抗病能力明显高于亲本。现在杂种优势已经广泛用于动植物生产中，这种方式可以大大提高动植物产量、优化动植物产品质量和口味等，并推动农业快速合理地发展。

2 基因与杂种优势

在分子遗传学还没有出现的时候，传统的数量遗传学提出了2种假说：“显性假说”和“超显性假说”来解释杂种优势［8-9］。但对于父母本基因组的贡献性和基因组水平的变化还处在探索阶段［10］。随着高通量测序技术和生物信息学的迅速发展，不同类型基因的表达模式已成为一个新的探究杂种优势遗传机制的切入点。杂交子代的性状是由父本和母本基因共同作用的结果，不同类型基因的差异表达是导致表型多样性的重要因素。杂交子代中父母本基因的表达量、表达数目、表达时期和调控机制与杂种优势密切相关。

2.1 差异基因

形成表型性状多样性的根源就是基因的表达差异，许多研究相关内容的人员都认为亲本与杂交子代之间基因的表达差异存在质和量的差别。动物中，在北京鸭与番鸭的杂交子代与亲本都表现差异的上调和下调基因分别有23个和11个，这些基因与蛋白质的合成和转录调控相关［11］；家蚕杂交子代中超过双亲表达的187个差异基因与生理学过程、新陈代谢和细胞组成等相关；猪杂交子代筛选出的双亲差异基因与脂肪组织的形成相关。将白洛克肉鸡与中国丝羽乌骨鸡杂交之后，单亲特异性表达基因与腹部的脂肪含量显著相关，还有一些双亲差异基因与性状的关系不会因为正反交的改变而改变。植物中，玉米杂交子代中，母本对胚乳基因表达的影响大于其他营养组织；小麦杂交子代中，单亲表达的差异基因与主穗长和单株产量呈现显著正相关，而双亲特异性表达的基因与根冠大小呈现显著正相关；在甘蓝油菜中发现表达父本的基因明显高于母本；另外在玉米和水稻的杂交子代中父母本基因表达模式同样存在显著差异。

2.2 融合基因

杂种后代一般会发生高水平的基因组重组，导致基因组发生很多变化，包括遗传重组、后代基因特异性突变、显著的基因表达差异等［12-13］。杂交子代可能会因为突变率增加，引发复杂的DNA损伤修复和细胞周期调控之间的相互作用。融合基因是由外显子和功能区域重组之后形成的。酶活性降低或专一性改变就会影响RNA的正常转录，进而影响融合基因和非同义突变，最后产生结构变化。同时基因融合和高突变频率与重组或非同源末端连接的大规模DNA修复密切相关，还可能影响转座子的活性［14-16］。将红鲫与鲤鱼杂交形成二倍体子代，个别不减数分裂的二倍体与精子或卵子结合形成四倍体子代，鲫、鲤杂交子代形成的融合基因可分为3类，双亲表达、单亲表达和杂交子代特异性表达。鲫、鲤杂交的二倍体和四倍体融合基因分别呈现父本和母本特异性。而且来自父本或是母本的融合转录本不重叠，说明杂交子代融合基因的结构变化是不可逆的［16］。

2.3 印记基因

印记基因是在研究小鼠胚胎时被发现的，它是一类不遵循孟德尔遗传定律的基因簇。基因组印记是表观遗传修饰的一种形式，印记基因的表达模式和等位基因特异性表达有所不同，它的表达取决于亲本的起源［17］。人类和小鼠胎盘的发育主要受父本基因影响［18-19］；将大白猪和梅山猪杂交之后发现6号染色体上有2个母本表达的基因影响它肌肉中的脂肪含量。驴骡和马骡中有78个候选印记基因，呈现父本偏向性居多，并且父本表达的基因对胎盘发育起主要作用。有很多印记基因都是成对出现的，是父母本基因之间协同作用的结果。父本印记大多促进胎盘发育、胎儿快速生长和提供生长所需的营养，母本印记对杂交子代的繁殖能力起主要作用。印记基因受父母本和组织特异性的影响，IGF2在小鼠的多数组织中只表达母本基因、KVLQT1基因唯独在人心脏中不表达特异性。印记基因还与猪正常表型的变异［20］、绵羊 DLK 区域［21］、牛的生产性状［22］等相关。

3 展望

杂种优势并不是来自种内遗传多样性,而是由控制一个性状的多个基因或几个重要基因直接反映的结果。通过比较不同杂交种组合发现它们之间很少有共同表达的差异表达基因。所以单独采用差异表达基因来探究杂种优势是非常困难的，必须借助其他方法联合探究。今后的研究将不再局限于差异基因的筛选，还可以通过等位基因的差异表达或者其他方法确定父母本基因表达存在的优势。同时随着基因组信息越来越详细，形成杂种优势的遗传基础就越来越清晰，动植物育种年限也会逐渐缩短。

参考文献：

［1］FRASCAROLI E,CANE M A,LANDI P,et al.Classical genetic and quantitative trait loci analyses of heterosis in a maize hybrid between two elite inbred lines ［J］.Genetics，2007（1）：625-644.

［2］WANG X,MILLER D C,CLARK A G,et al.Random X inactivation in the mule and horse placenta［J］.Genome Res,2012，22（10）：1855-1863.

［3］BIRCHLER J A.Heterosis:The genetic basis of hybrid vigour［J］.Nat Plants，2015，1：15020.

［4］HUANG X,YANG S,GONG J,et al.Genomic analysis of hybrid rice varieties reveals numerous superior alleles that contribute to heterosis ［J］.Nat Commun，2015，6：6258.

［5］王金文，王德芹，张果平，等.杜泊绵羊与小尾寒羊杂交肥羔肉质特性的研究［J］.中国畜牧杂志，2007，43（3）：4-6.

［6］和占星，王朋武，罗在仁，等.大额牛（Bos frontalis）与黄牛（Bos taurus）的种间杂交研究［J］.中国农业科学,2015，48（13）：2676-2686.

［7］HAN Z G,GUO W Z,SONG X L,et al.Genetic mapping ofEST-derived microsatellites from the diploid Gossypium arboreum in allotetraploid cotton ［J］.Mol Genet Genomics，2004，272（3）：308-327.

［8］HUA J,XING Y,WU W,et al.Single-locus heterotic effects and dominance by dominance interactions can adequately explain the genetic basis of heterosis in an elite rice hybrid ［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2003，100（5）：2574-2579.

［9］SHULL G H.What is “heterosis”［J］.Genetics，1948，33（5）：439-446.

［10］McGRATH J,SOLTER D.Completionofmouse embryogenesis requires both the maternal and paternal genomes［J］.Cell，1984，37（1）：179-183.

［11］单雪松，崔庆媛，李克鹏，等.北京鸭×番鸭杂种优势相关基因表达差异研究［J］.南京农业大学学报，2010，33（1）：113-117.

［12］YANG H,WANG K.Genomic variant annotation and prioritization with ANNOVAR and wANNOVAR ［J］.NatProtoc，2015，10（10）：1556-1566.

［13］KIM D,SALZBERG S L.TopHat-Fusion:an algorithm for discovery of novel fusion transcripts ［J］.Genome Biology,2011，12（8）：R72.

［14］BAO J,YAN W.Male germline control of transposable elements［J］.Biol Reprod，2012，86（5）：162.

［15］GREGG C,ZHANG J,BUTLER J E,et al.Sex-specific parent-of-origin allelic expression in the mouse brain［J］.Science，2010，329（5992）：682-685.

［16］LIU S,LUO J,CHAI J,et al.Genomic incompatibilities in the diploid and tetraploid offspring of the goldfish×common carp cross［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2016，113（5）：1327-1332.

［17］BABAK T.Identification of imprinted loci by transcriptome sequencing［J］.Methods Mol Biol，2012，925：79-88.

［18］GREGG C,ZHANG J,WEISSBOURD B,et al.Highresolution analysis of parent-of-origin allelic expression in the mouse brain［J］.Science,2010，329（5992）：643-648.

［19］ARNAUD P,MONK D,HITCHINS M,et al.Conserved methylation imprints in the human and mouse GRB10 genes with divergent allelic expression suggests differential reading of the same mark［J］.Hum Mol Genet,2003，12（9）：1005-1019.

［20］MARKLJUNG E,JIANG L,JAFFE J D,et al.ZBED6,a novel transcription factor derived from a domesticated DNA transposon regulates IGF2 expression and muscle growth［J］.PLoS Biol，2009，7（12）：e1000256.

［21］TAKEDA H,CAIMENT F,SMIT M,et al.The callipyge mutation enhances bidirectional long-range DLK1-GTL2 intergenic transcription in cis ［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2006，103（21）：8119-8124.

［22］MAGEE D A,BERRY D P,BERKOWICZ E W,et al.Single nucleotide polymorphisms within the bovine DLK1-DIO3 imprinted domain are associated with economically important production traits in cattle ［J］.J Hered，2011，102（1）：94-101.