雜種優(yōu)勢(shì)是一個(gè)古老而重要的生物學(xué)現(xiàn)象，指雜交子代在生長(zhǎng)勢(shì)、產(chǎn)量和抗性等多方面優(yōu)于其親本。利用雜種優(yōu)勢(shì)可以大幅提高農(nóng)作物的生物量和產(chǎn)量，例如家喻戶曉的雜交水稻就是雜種優(yōu)勢(shì)利用的一個(gè)重要成就。然而，對(duì)于雜種優(yōu)勢(shì)遺傳機(jī)制認(rèn)識(shí)的不足限制了其在農(nóng)作物育種上的進(jìn)一步利用。從分子水平上解析雜種優(yōu)勢(shì)產(chǎn)生的機(jī)制迫在眉睫。模式植物擬南芥不僅具有生長(zhǎng)周期短、人工雜交簡(jiǎn)單、雜種優(yōu)勢(shì)明顯等特點(diǎn)，而且與水稻等農(nóng)作物不同的是，擬南芥自然群體未經(jīng)人工馴化。因此，利用擬南芥自然群體為研究材料有利于揭示雜種優(yōu)勢(shì)最本質(zhì)的遺傳機(jī)制。
鄧興旺/何光明研究團(tuán)隊(duì)采用來(lái)自全球各地不同擬南芥生態(tài)型配制了大量雜交組合，并利用其中200個(gè)雜交組合進(jìn)行苗期生長(zhǎng)和生物量雜種優(yōu)勢(shì)的研究。結(jié)果顯示，擬南芥生物量雜種優(yōu)勢(shì)極普遍存在，由多個(gè)不同性狀共同決定，并與雜交后代的基因組雜合程度相關(guān)。進(jìn)一步利用全基因組關(guān)聯(lián)分析（Genome-WideAssociation Study，GWAS）全面系統(tǒng)地鑒定到控制生物量雜種優(yōu)勢(shì)的SNP（Single NucleotidePolymorphism）位點(diǎn)和候選基因。分析表明，生物量雜種優(yōu)勢(shì)源于多個(gè)SNP位點(diǎn)的聚合，這些位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的候選基因參與細(xì)胞、代謝、發(fā)育和刺激響應(yīng)等多個(gè)生物學(xué)過(guò)程。其中重要候選基因包括WUSCHEL、ARGOS以及多個(gè)涉及細(xì)胞周期調(diào)控的基因，它們是調(diào)控?cái)M南芥生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵因子，其有利等位基因在雜交子代中的積累可能對(duì)生物量雜種優(yōu)勢(shì)起重要貢獻(xiàn)。通過(guò)詳細(xì)分析代表性雜交組合的轉(zhuǎn)錄組，發(fā)現(xiàn)雜種優(yōu)勢(shì)候選基因顯著富集于環(huán)境刺激響應(yīng)通路，而且，刺激響應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá)在雜交子代中受到顯著調(diào)控，表現(xiàn)為在強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合中其表達(dá)被明顯抑制，而在弱優(yōu)勢(shì)組合中保持穩(wěn)定。以上結(jié)果表明，擬南芥生物量雜種優(yōu)勢(shì)來(lái)源于兩個(gè)方面的綜合效應(yīng)：一是對(duì)生長(zhǎng)發(fā)育有利的等位基因的積累使雜交子代處于比其親本更好的生長(zhǎng)發(fā)育狀態(tài)；二是環(huán)境刺激響應(yīng)通路在雜交子一代中的抑制通過(guò)生長(zhǎng)-抗性之間的平衡調(diào)節(jié)作用，使雜交子代在正常生長(zhǎng)條件下優(yōu)先生長(zhǎng)。該項(xiàng)研究揭示的擬南芥生物量雜種優(yōu)勢(shì)的分子機(jī)制不依賴于特定物種和特定性狀，在植物中具有普適性，對(duì)于開(kāi)展農(nóng)作物生物量雜交優(yōu)勢(shì)研究具有重要借鑒意義，并為進(jìn)一步增強(qiáng)雜種優(yōu)勢(shì)的利用潛力提供理論指導(dǎo)。
圖1：環(huán)境刺激響應(yīng)相關(guān)基因在生物量雜種優(yōu)勢(shì)中的作用
該項(xiàng)研究成果于2017年7月11日以“Genomicarchitecture of biomass heterosis in Arabidopsis”為題在線發(fā)表于《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》（Proceedings of the NationalAcademy of Sciences of the United States of America）。生命科學(xué)學(xué)院博士后楊玫和王訓(xùn)成為該論文的共同第一作者，鄧興旺教授和何光明副研究員為共同通訊作者，參與該項(xiàng)研究的還有黃浩博士以及博士生任荻秋和徐米琪。該研究工作得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、蛋白質(zhì)與植物基因研究國(guó)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。
原文鏈接：http://www.pnas.org/content/early/2017/07/06/1705423114.abstract
