雜種優(yōu)勢(shì)是指不同遺傳背景的兩個(gè)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(xiàn)。然而，雖然經(jīng)過多年的廣泛研究，雜種優(yōu)勢(shì)產(chǎn)生的遺傳機(jī)理、特別是分子機(jī)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(shí)驗(yàn)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(dá)互補(bǔ)調(diào)控?cái)M南芥生物量雜種優(yōu)勢(shì)的形成。

 

　　植物雜種優(yōu)勢(shì)往往最明顯地表現(xiàn)在生長(zhǎng)或生物量上。在植物幼苗生長(zhǎng)階段，地上部分生物量的雜種優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：與親本相比，雜交F1具有更強(qiáng)的生長(zhǎng)勢(shì)，生長(zhǎng)速率更快，在相同時(shí)間內(nèi)能夠積累更多的生物量。課題組前期對(duì)200個(gè)擬南芥雜交組合的雜種優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了評(píng)測(cè)，其中Col-0 × Per-1雜交F1表現(xiàn)出最強(qiáng)的生物量雜種優(yōu)勢(shì)（Yang et al., 2017, PNAS）。為了深入解析該雜交組合雜種優(yōu)勢(shì)形成的分子機(jī)制，本研究對(duì)該雜交組合的雜交F1及其親本進(jìn)行了幼苗發(fā)育過程中高分辨率時(shí)序動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)表型及轉(zhuǎn)錄組圖譜的測(cè)定和整合分析。通過加權(quán)基因共表達(dá)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(duì)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(gè)生物學(xué)通路（細(xì)胞周期和光合作用）在兩個(gè)親本之間呈現(xiàn)相反的表達(dá)模式，即細(xì)胞周期通路的核心基因在一個(gè)親本Col-0中表達(dá)水平較高，而光合作用通路的核心基因則在另一個(gè)親本Per-1中表達(dá)水平較高。令人感興趣的是，在幼苗發(fā)育過程中，這兩個(gè)通路的核心基因在雜交F1中表現(xiàn)為時(shí)空上顯性互補(bǔ)的高親表達(dá)模式。該結(jié)果暗示，雜交子一代可通過整合兩個(gè)親本分別在細(xì)胞分裂和光合作用這兩個(gè)對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要的生物學(xué)通路活力上的優(yōu)勢(shì)從而獲得強(qiáng)于兩個(gè)親本的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。該發(fā)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物雜交育種具有指導(dǎo)性意義。

　　光合作用和細(xì)胞周期通路關(guān)鍵基因的高親顯性表達(dá)互補(bǔ)調(diào)控幼苗生長(zhǎng)雜種優(yōu)勢(shì)

 

　　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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心的資助。