2023-03-09 10:27:36
“其貌不揚的雙親，生出了才貌雙全的后代。”這究竟是怎么一回事兒？還真不是開玩笑，這看似逆天的操作，就出現在農業專家的育種過程中，它就是——雜種優勢。
后代為何會出現比雙親更優秀的性狀？
百余年來，遺傳學家們苦苦尋求其背后的遺傳學機理，尋找能讓后代比雙親更“杰出”的基因位點，卻難以揭開其神秘的面紗。近日，中國農業科學院生物技術研究所玉米功能基因組創新團隊與華南農業大學等單位的科學家們在構建玉米核心自交系泛基因組、解析玉米雜種優勢形成機理方面取得重要進展。今天，我們就來聊聊雜種優勢。
用世界上7%的耕地養活了世界上20%的人口，中國糧食生產力的提升，離不開農業的發展；農業發展離不開豐富的種質資源。
近年來，隨著工業化、城鎮化加快，氣候環境變化以及農業種養方式的轉變，農業種質資源數量和分布區域也發生了很大變化，一些農業種質資源存在退化甚至消失的風險。而農業育種卻是一個艱辛而漫長的過程，從優系篩選到推廣利用，整個育種過程一般要花上十年的時間，有的甚至更長。依靠作物的雜種優勢，可以打破育種難、育種慢的局面嗎？
公元5世紀，北魏農學家賈思勰所著的《齊民要術》中有這樣一段描述：馬和驢雜交產生的騾子具有更好的耐力和抗病力。
明代宋應星在其著名的科學著作《天工開物》中指出，雜交產生的家蠶生命力更強，蠶絲光澤度以及柔韌性都更好。
這兩段記載，指的都是雜種優勢：遺傳基礎不同的兩個親本在雜交以后所產生的雜種第一代(f1代)，在一種或多種性狀上優于兩個親本的現象。
玉米是全球最大的糧食和飼料作物之一，全球年產量超過10億噸。同時，玉米也是世界上利用雜種優勢最為徹底的作物之一。玉米的雜交種在生長勢、抗逆性以及產量等有利性狀上均有優于其親本和后代的現象，目前97%以上的玉米品種都是基于雜種優勢的雜交種。
雜交種的選育已經成為玉米種業激烈競爭的核心。不同種質材料雜交組合的雜種優勢存在很大差異，由于缺乏完整基因組信息，長期以來，玉米雜種優勢形成的機理一直未能闡述清楚。導致雜交種的選育工作一部分依賴于經驗，另一部分則是通過極大規模的雜交實驗來篩選出強優勢組合。
一個一個植株測配，再去測試雜交種的性狀，這個過程耗費了專家大量的精力和時間。在人工成本、經費投入和土地面積等要素的限制下，一個優良玉米雜交品種的選育往往需耗時數年，甚至十年以上。因此，闡明雜種優勢的形成機理，對縮短育種周期，提高育種效率，獲得突破性新品種有著至關重要的作用。
“假如事先知道哪兩株親本雜交可以產生很強的雜種優勢，就不用做那么大規模、高成本的雜交配種。”中國農業科學院生物技術研究所研究員王寶寶在接受《中國科學報》采訪時說，盡管學界普遍認為玉米雜種優勢與雙親的遺傳差異相關，但是因為不同類群的玉米自交系遺傳差異很大，傳統上用一個公共的玉米材料作為參考基因組進行遺傳分析，往往容易漏掉許多玉米類群特異的遺傳信息。
為了解析玉米雜種優勢的形成機理，專家團隊收集了世界范圍內，能廣泛代表所有溫帶雜種優勢類群的12個骨干玉米自交系，通過三代測序等技術組裝了它們的高質量基因組，結合已發表的B73和Mo17基因組，對這14個自交系及其兩兩組配所得的雜交種進行比較分析，然后再通過兩兩基因組之間的比對，來挖掘自交系之間的遺傳差異。最后再通過雜交種的組配和自交系的比較，來分析雜種優勢形成的遺傳機理。
通過基因組的比對，專家團隊發現玉米自交系之間，存在著廣泛的遺傳變異。
不比不知道，一比嚇一跳。這遺傳差異比專家預估的還要大，要知道，人和猩猩DNA差異僅為1.2%，人和小鼠的DNA差異不到10%，人和牛的DNA差異約為20%。
而玉米兩兩自交系之間，只有56.3%左右的DNA序列存在相似性。這些玉米自交系不但遺傳差異明顯，外表看起來也大相徑庭。
通過一定的遺傳工具挖掘后發現，自交系之間存在著大量的結構變異，造成DNA大片段的缺失、插入、倒位、異位等變異現象。而這種現象（結構變異）對基因的表達變化產生了重要的調控作用，而基因的表達變化會進一步影響玉米性狀的形成，而這種性狀的變化會進一步影響雜種優勢類群的分化和性狀差異。
通過親本之間的兩兩組配，專家團隊還創制了一個雜交種的遺傳群體，通過比對雜交種之間的遺傳差異發現，親本之間的結構變異數量與雜種優勢是顯著的正相關，而親本之間基因組的相似性與雜種優勢是顯著的負相關。說明雜種優勢可能與親本之間的基因組遺傳互補具有顯著的關系，為雜交種雜種優勢的遺傳互補模型奠定了堅實的基礎。
簡單來說就是，玉米基因組間相似性越高，雜種優勢越小，而大片段DNA序列差異（結構變異）越多，雜種優勢越強。大片段DNA序列差異一般是指某個大的DNA片段在一個自交系中有，在另一個自交系中沒有，或以另外的序列形式存在，或發生了顛倒及位置變化。
具有這類差異的兩個自交系雜交后就產生了互補性。兩兩自交系基因組間大片段DNA序列互補越多，產生的F1雜交種的雜種優勢就越強。因此，雙親在全基因組水平的遺傳互補性可能是玉米雜種優勢形成的最重要原因。
經過大量工作，結合遺傳和分子生物學證據，專家團隊還挖掘到ZmACO2和ZAR1兩個關鍵的產量雜種優勢基因，并證明雜交種中這兩個位點不同的基因型組合能產生優于雙親純合基因型表現的雜種優勢效應。
該研究所組裝的核心完整基因組，將大大促進世界范圍內玉米功能基因組學研究的推進，對雜種優勢遺傳機理的解析也將大大促進強優勢高產玉米雜交種的培育，為今后雜交種的培育提供強力的理論支撐。相關研究成果在線發表在國際頂尖學術期刊《自然˙遺傳學（Nature Genetics）》上。
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