近日，中國農大農學院李自超和張洪亮團隊在著名期刊《基因組生物學》（Genome Biology）上發表了題為“大規模水稻雜種基因組及轉錄組揭示雜種優勢的核心機製”（Large-scale genomic and transcriptomic profiles of rice hybrids reveal a core mechanism underlying heterosis）的研究論文。該研究通過大規模的雜種群體表型、QTL、轉錄組、動力學模擬以及酵母實驗驗證等技術手段，係統解析了水稻雜種優勢的遺傳基礎，並提出了雜種優勢發生的核心機製-不充分背景下純合子功能不足模型（HoIIB）。該模型能夠解釋大多數已知的雜種優勢假說和現象，為水稻遺傳改良和雜交育種提供了新的理論支持。我院畢業博士謝建引、湖南雜交水稻研究中心的王偉平研究員和我院博士生楊濤為論文的第一作者。我院張洪亮教授、李自超教授為論文的通訊作者。生物學院張子丁教授和農學院王向峰教授等對研究工作進行了指導和幫助。

　　雜種優勢是生物界普遍存在的現象，已在農業生產中得到了廣泛應用。一個多世紀以來，雜種優勢機理一直是生命科學領域的熱點問題。科學家很早就提出了顯性、超顯性和上位性假說來解釋雜種優勢形成的遺傳機理，現代的酶學理論及以其為基礎發展而來的代謝組模型則從生理生化反應的角度對雜種優勢的產生機理進行了闡述。最近幾十年，隨著分子生物學和測序技術的快速發展，大量研究人員以擬南芥、水稻、玉米和油菜等作物為研究對象，對雜種優勢的成因在不同層麵開展了詳細研究，極大地豐富了我們對農作物雜種優勢的認識。然而，已有研究更多解釋的是雜種優勢現象的表現形式，人們尚未明確雜種優勢形成的內在機製，包括很多學說或模型成立的前提--非加性遺傳效應形成的內在機製也不十分清楚。

1.雜種優勢以及非加性效應的形成高度依賴環境以及遺傳背景

　　該研究中，作者通過對418個水稻雜種組合及其親本，2808份玉米雜種組合及其親本，及1600餘份小麥雜種組合及其親本在多個環境下的表型分析，發現不同環境對雜種的影響普遍強於自交係親本，不同組合類型、不同性狀以及不同環境雜種優勢表現差異明顯，表明雜種優勢的表現高度依賴於環境。分析全基因組關聯分析檢測到的親本、雜種及中親優勢相關QTL及其遺傳效應（加性、顯性、超顯性），發現非加性QTL相比於加性QTL對不同環境或遺傳背景的變化更為敏感。對優良雜交組合兩優培九及其雙親（培矮64S和9311）的幼穗轉錄組數據分析表明，非加性表達條件下對遺傳背景（其轉錄因子）的依賴性高於加性表達條件下（圖1）。上述結果表明，雜種優勢以及非加性效應的形成高度依賴環境以及遺傳背景。

圖1. 轉錄水平非加性與加性現象對背景依賴性比較

2.提出了雜種優勢形成的核心機製-HoIIB模型

　　為明確遺傳背景與雜種優勢及非加性效應的內在關係，作者利用希爾方程係統模擬了不同場景中不同配體濃度下受體在雙親及其雜種中的反應，模擬結果進一步從理論上說明非加性及雜種優勢的形成與遺傳背景密不可分。基於以上結果，作者提出不充分背景下的純合子功能不足是非加性及雜種優勢形成的核心機製，並將其命名為HoIIB（Homo-insufficiency under insufficient background）模型（圖2）。

圖2 存在/缺失等位變異在不同背景供應條件下的雜種優勢表現

　　該模型認為，非加性效應不是一個基因的固有特征；其本質是親本中兩個純合等位基因在背景不充分的情況下功能未能發揮，而在同樣背景下雜種F1中某一個等位基因可以充分發揮，從而表現出部分顯性、顯性甚至超顯性。理論上，HoIIB模型應有三個基本特征：(1）非加性（包括顯性和超顯性）條件下，強功能的純合子會表現出功能發揮不足；（2）同一位點兩個等位基因之間的累加或互補更容易形成超顯性；(3）非加性狀態下，目標基因的功能對背景的響應更強。三個特征在大規模雜交組合表型、QTL以及轉錄組水平均得到了印證（圖3a-d）。

　　根據HoIIB模型，既然非加性的形成與遺傳背景有關，理論上非加性與加性之間可以因遺傳背景的不同而發生轉換。作者在二倍體酵母體係實驗中驗證了該推斷。實驗結果顯示，在野生型中目標基因SSU1在轉錄水平及其對酵母生長的效應方麵均表現出超顯性，當上調其背景（即其轉錄因子）FZF1的表達時，隨著FZF1轉錄水平增強，目標基因SSU1的顯性度逐漸降低而接近加性（圖3e-f）。對水稻產量相關基因Hd3a的分析同樣印證了該模型。

圖3 轉錄、QTL和表型水平上背景效應對加性、顯性和超顯性現象的影響

3.HoIIB模型對雜交育種的理論意義

　　討論中作者探討了HoIIB模型對未來水稻遺傳改良和雜交育種的理論意義。首先，該研究表明，顯性或雜種優勢不是目標基因本身的內在特性，而是其背景賦予的特性。因此，當一個基因或組合表現出明顯的雜種優勢現象時，表明該表達調控體係中存在明顯短板；此時，利用雜種優勢隻是這個調控體係的次優解。找到調控體係的短板，加以改良從而釋放純合子的最大功能才是育種的終極目標。其次，當一個基因或因子在不同背景或條件下表現出穩定的加性效應時，該基因或因子很可能是一個係統性短板。該研究為尋找某個物種或群體的係統性短板，從而改良該係統性短板培育突破性品種提供了理論依據。第三，該理論的提出並非意味著不再利用雜種優勢。相反，作者分析認為雜種優勢的利用在相當長的時間內仍將是重要的育種策略。最後，該理論還有助於理解一般配合力和特殊配合力及其在育種中的利用，並提出了一個有效培育突破性雜交品種的策略：持續聚合係統性限製因子的優異等位基因，並通過傳統和生物技術手段將其改良，以持續改良基因組背景；將更多背景效應引入雜交育種的基因組選擇模型，從而改進對特殊配合力預測的準確性。