作物杂种优势学说的发展

王颖姮，蔡秋华，郑燕梅，谢鸿光，谢华安⋆，张建福*

（1.福建省农业科学院水稻研究所，福建福州 350019；2.农业部华南杂交水稻种质创新与分子育种重点实验室/福州（国家）水稻改良分中心/福建省作物种质创新与分子育种省部共建国家重点实验室培育基地/杂交水稻国家重点实验室华南研究基地/福建省作物分子育种工程实验室/福建省水稻分子育种重点实验室，福建福州 350003）

杂种优势或者说杂种活力，就是后代的表型优于双亲的现象。杂种优势对农业生产做出了巨大贡献，许多作物和蔬菜都有相当大的面积种植F1杂交种，从根本上影响着农业实践和种子工程。由于其具有重要的经济和科学意义，研究人员采用了数量遗传学，生理学和分子生物学的手段努力探索其机理。尽管已经进行了广泛的研究，但是，仍然缺少一个对其分子机理的完整的解释。没有一个统一的，简单的机理能解释杂种优势。近年来，随着各种组学技术的发展，更多深入的亲本和子代变异的研究得以开展。本文首先回顾了经典的杂种优势学说和新发展的杂种优势学说，以及一些关于杂种优势的重要基础，然后综述了近年来利用各种新技术对杂种优势学说的研究进展。

1 杂种优势学说的发展

早在几个世纪前，人们就在生产实践中进行了多种方式的杂种优势利用，中国贾思勰在《齐民要术》中记载了马和驴杂交产生骡的事实。20世纪初期，shull［1］和east［2］分别在育种实践中重新发现了玉米杂种优势。19世纪30年代开始，玉米育种中开始采用杂种优势改良性状。利用杂种优势提高玉米产量已有较长的历史，其他作物利用杂种优势的历史则较短。

在人们有目的的利用杂种优势进行育种后，就提出了很多关于杂种优势的假说。首先是显性（互补）假说［3，4］，认为杂种优势是由于父母本之间一些微小不利隐形基因互补的结果［5］。这要求每个亲本要具有一些不同座位上的隐性的不利基因。而对育种群体来说，选择使得大的不利基因被去除掉，只剩下一些微小的不利基因。显性假说一个重要的假设是给予足够的重组和选择，能从后代中选择到一个具有两亲本所有优良性状的植株。而事实上，大多数等位基因并不一定是隐性不利基因，杂种优势也可能由非不利等位基因引起［6］。并且群体遗传多样性越大，其近交衰退程度越低。因此，在分子水平上，近交衰退和杂种优势不一定是对立面，而取决于等位基因在遗传或表观遗传水平上的互作。

第2个是超显性假说。该假说认为位点的杂合性导致杂交后代性状优于纯合亲本。有很多单位点超显性的例子，比如拟南芥的erecta基因座位［7］，在2种生态类型的拟南芥的杂交后代中能引起超显性；玉米的pl基因座位［8］，与花青素含量相关，西红柿的SFT基因座位［9］，通过影响植株形态影响产量的杂种优势。超显性认为不可能从一个杂合体后代中获得与该杂合体表现等同的自交系个体。

值得注意的是，2个显性等位基因，相斥相连锁，能引起类似于超显性的假超显性（Pseudooverdominance）。事实上，早期在玉米中发现的一个超显性杂种优势数量性状座位（hQTL），后来研究证实其事实上是2个连锁的座位，分别表现显性效应［10］。

显性和超显性并不互相排斥，在很多情况下杂种优势是由显性决定，但一些物种的某些性状在特定的交配方式下显示了很强的超显性。证明显性和超显性的相对作用的最直接的方式就是进行hQTL分析。在多种物种中鉴定了多个性状的hQTL（玉米，水稻，拟南芥等），大多为显性,也有超显性的例子。确实，不同的生物性状和交配方式其生物学机制是不同的，但是不同的实验设计、统计方法也会一定程度的引起研究结果的不同［11］。

对多倍体杂种优势和近交衰退的一系列研究表明除显性假说之外，杂种优势还存在其他的机制。多倍体表现“强杂种优势”，不由显性和互补决定。如果多倍体杂种优势由显性和互补决定，其近交衰退率应该比二倍体低，但是在苜蓿和玉米的研究中发现，四倍体植物和二倍体植物的近交衰退率相当。杂种优势或许是由许多机制引起，包括显性和超显性。它可能更适合一种新说法，描述为数量遗传框架下，多基因共同作用下的杂种优势。Birchler &Veitia［12］对杂种优势的机理提出了新的学说——基因平衡假说。这一学说开始是用来解释非整倍体的现象的，后来应用到了杂种优势上面。这一假说认为，杂合个体比他们的亲本具有更好的剂量平衡性，而适当的平衡对于剂量敏感细胞成分是关键的［13］。这一概念并不排斥显性和超显性的概念，而是这两个学说的补充，能解释一些早期学说不能解释的现象。

与之类似，Goff［14］最近提出了能量利用效率假说，认为杂合个体通过选择蛋白合成和代谢，能够获得更多的能量利用效率。该假说认为位点变异通常编码不稳定的或效率低的蛋白，这些蛋白的产物进行能量耗费较大的生物学过程。而一个杂合体有的位点能产生稳定的，高效的蛋白，也有的位点产生不太稳定或效率不高的蛋白。如果杂合体能选择性的调节位点特异的转录或翻译，这样，偏爱的位点编码更多的蛋白，细胞内能量效率和表型的表现就会得到提高。

2 杂种优势重要基础

2.1 杂种优势的形成需要亲本间具有差异性。

首先，我们应该详细了解两亲本的遗传差异，通过观察品种间基因组的变异来判断显性效应或超显性效应的相对作用。如果认为两个品种间基因组差异较小，将很难理解显性效应如何影响杂种优势，因为在任何个体中，都只有较少的不利基因。如果假设群体中承载有大量的不利基因，那么杂交亲本可能携带了许多不利基因，因此有很大机会形成互补，从而产生杂种优势。近年来，随着生物学和信息学新技术的发展，已经能够深入了解同一物种个体间的基因组水平、转录水平、翻译水平以及表观遗传水平的变异。测序和重测序得到了丰富种类的基因组变异，比如SNP,插入缺失（indel）多态性，以及基因组结构变异（SV），包括重复数量变异（CNV）和有-无变异（PAV）。另外，基因组中还存在大量的假基因，许多假基因只是某一个体该位点的形式，而在该物种的其他个体中的该基因却是有功能的［15］。各种水平的差异为杂种优势的形成提供了基础。

当考察的物种进行过强烈的选择，大多数对杂种优势有贡献的座位，影响一些重要性状，如产量，植物形态，开花期，抗性等，都只有微小的作用。因为这些座位都被育种者进行了高强度的选择，在这些选出来的种质中，不利的基因都已经被清除掉了，除了一种情况，不利的基因与一个有利的基因紧密连锁，如着丝粒区，那里单位物理距离的重组率很低。在选出来的自交系中的变异因此包括许多微小效应的座位的变化以及一些在未选择的种质中表现为大的效应的座位，而这些座位在选出来的种质中表现为微小变异。选择能使大的效应座位变为小的效应座位。

2.2 杂种优势是可以量化的，是性状间特异的现象

有时候，研究者描述某一杂合个体的杂种优势高于其他个体，意思是说，杂种优势是个体现象，不同的杂合个体具有高的或低水平的杂种优势。这就是说高水平杂种优势的杂合个体将会在其他所有的性状上都具有高的杂种优势。然而，玉米中的许多研究却表明事实不是这样。实际上，在植株高度上具有非常高杂种优势的个体，但是在产量上却基本上没有杂种优势［16］，相反也是。一般来说，不同性状的杂种优势水平是不相关的（除非这2个性状在生理上具有相关性）。这表明：首先，没有一个根本的普遍的机制（比如杂种优势感知）同一水平的影响着所有表型的杂种优势；其次，不同性状不同的杂种优势水平是由于两亲本在不同座位的特定结合所引起的。

2.3 杂种优势由许多位点共同调节

至少在育种者进行选择育种的作物中，杂种优势是由许多座位共同调节的。尽管有单基因座位控制大效应杂种优势的例子［17,18］，在进行强烈的选择后，这样的座位的变异在物种内很难保存。很多的研究对不同物种中，不同的性状进行了影响杂种优势的基因定位，并鉴定了大量的hQTL,可是只有极少的大效应的位点（＞10%变异）。这就和前面所说的——许多具有大的效应的不利的位点在经过选择后被清除掉的观点一致。因此，尽管杂种优势的效应能通过单基因表现，但是却不能在作物农艺性状的杂种优势中起大的作用。另一方面，迄今为止，在各种作物中，试图将各种预测的显性或超显性座位聚合起来以获得最大化的杂种优势，都没有取得成功。

3 采用组学的方法研究杂种优势进展

由于杂种优势是由许多位点共同调节，采用单基因的方法研究复杂性状不能区分基因间的间接调控作用，而杂种优势的研究越来越显示了基因间呈现复杂的网络调控关系。单一座位引起的杂种优势，很可能是因为调控网络中关键基因的改变。最新的转录组学、蛋白组学、代谢组学和表观遗传组学的研究揭开了杂种优势调控网络的神秘面纱。

3.1 转录组学的研究

转录组代表部分基因组，是组织在发育过程中特定时期特定条件下转录为mRNA的基因组。是基因信息和功能表型中间的一个过程。基因芯片技术和RNA-seq技术使得物种内部不同个体全基因组水平的转录组的比较成为可能［19-22］。这些研究帮助我们了解基因表达变异程度，通过测定转录组的丰度获得杂合个体和其亲本基因表达的差异水平。不同的个体基因表达具有本质的差异。多种作物进行了基因表达谱分析，有些变化是加性的，有些是非加性的。尽管转录组的变化很复杂，但是也有一些趋势。第一，基因加性表达和非加性表达与杂交亲本遗传距离更相关，距离更远（种间杂种）产生的非加性表达更普遍。由A. thaliana和A. arenosa68,77,78形成的拟南芥同源多倍体中的rRNA被沉默掉，发生非加性表达，其中一个亲本中rRNA基因被沉默的机制包括DNA甲基化、组氨酸修饰和小RNAs［23］。第二，基因表达发生变化，相应的生物学网络也发生变化。拟南芥同源多倍体中，非加性表达的基因变化涉及能量代谢、逆境反应、激素、信号传递途径，这些发现与拟南芥杂合体和同源多倍体中光合作用和代谢活性提高的杂种优势现象一致。第三，与细胞老化、逆境反应和植物激素信号传递途径相关的基因在许多作物杂合体和同源多倍体中发生了变化［24］。拟南芥中，防御反应和生长及适应负相关，如ACD6［25］基因座位，超表达ACD6降低生长，但是在acd6突变体中生物了获得了提升。在拟南芥同源多倍体中，逆境反应基因，包括ACD6和乙烯信号传递和调控基因的表达量都有所降低［26］。第四，杂交亲本间顺式元件或反式调节因子的多样性能引起种间杂种或同源多倍体基因表达的变化。杂交后代中顺式元件和反式因子的增强与逆境反应相关，从而提高生长和适应；而顺式元件和反式因子的互补则与生物合成、代谢过程相关，以维持同源多倍体的生长、发育的稳定性。

3.2 蛋白组学的研究

与转录组存在的差异一致，包括玉米胚［27］、根［28］、穗尖［29］、水稻成熟胚［30］、拟南芥叶［31］等各种组织中的蛋白组学研究发现，杂种或同源多倍体在蛋白组水平上也存在加性和非加性表达蛋白的差异。杂种中的大多数非加性表达蛋白属于功能蛋白，与逆境相关、能量生成以及碳和蛋白代谢相关；另一方面，非加性表达蛋白不一定是非加性表达基因，因此，可能存在着转录后和翻译后修饰调节杂种优势的机制。

3.3 代谢组学研究

在拟南芥种间杂种中，生物产量杂种优势与新陈代谢活性相关。拟南芥RILs中，生物产量与特定组合的代谢物显著相关［32］，新陈代谢物的杂种优势QTL位点与生物产量相关，14～20种代谢物就足够预测不同F1个体中的耐冷性，能解释60%的变异。在土豆、玉米等中的研究也有类似结果。系统的进行代谢流和代谢网络分析表明上位性和显性是代谢杂种优势的两种模式。另外，代谢物对复杂性状杂种优势生物学调控网络也有一定的反馈调节。

3.4 表观遗传组学研究

除了基因组和转录组的变异，大多数个体还存在表观遗传的变异。表观遗传变异通过创造稳定的表观遗传个体来影响杂种优势；或者，杂交个体可能表现不同的表观遗传状态，引起杂种优势［33］。拟南芥、玉米、水稻基因组表达谱分析发现了许多能稳定遗传的DNA甲基化或组氨酸修饰，也有同一物种不同个体小RNA丰度自然变异的证据。很多研究小组获得了表观遗传重组自交系（epiRILs），其基因组没有差异，而表观遗传状态有所差异——以解释表观遗传的调节能引起数量性状的变化。

表观遗传调控由小RNAs（siRNA、miRNA、ta-siRNAs）介导。小RNAs与AGO4作用，引起基因沉默或将目标座位甲基化。拟南芥种间杂种中，通过基因组测序比较发现， siRNA水平与亲本相比发生了上调或下降表达［34］。玉米MOP1基因与拟南芥RDR2基因同源，玉米MOP1突变，引起开花期推迟，株高变矮，穗变形，siRNA水平降低［35］。然而，携带mop1突变体的杂种的杂种优势没有受到影响，表明siRNA对于维持杂种优势不是必需的，MOP1/mop1杂合体可能产生出足够的siRNA来进行表观遗传调控。

基因沉默是通过DNA甲基化实现，可能是小RNA介导的干涉靶位点。DNA甲基化也可能激活转座元件的表达。Histone修饰与转录激活相关，涉及植物开花时期和生物钟。基因组印迹是不遵从孟德尔定律的依靠单亲传递某些遗传学性状的现象，与早期发育的生长和行为有关。

4 结语

尽管已经进行了广泛的研究，杂种优势仍然没有一个完整、统一的解释机理。杂种优势是由具有遗传差异的个体杂交后产生的，机制因不同的物种、不同的交配方式和不同的性状而各异。杂种优势是多座位的效应，不同的座位在不同的杂合个体中影响不同性状［36］。 杂种优势可以看作是基因组水平互作的结果，引起遗传水平、表观遗传水平、生物化学的和基因调控网络水平的复杂变化。需要采取更多的研究，结合全基因组关联分析、转录组学、表观遗传组学、蛋白组学、代谢组学的研究，构建遗传和数学的模型，在发育不同阶段对杂种优势进行解析。

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