編輯 | 新銳恆豐研究院
作者 | 劉增兵等兵
摘要
雜種優勢(Hybrid vigor/Heterosis)是指雜種F1代個體優於雙親的現象，這種優勢主要體現在生活力、生長勢、適應性、抗逆性、生殖力，以及產量和品質等方面，或整體水平上。該現象取決於親本的遺傳本質，在雜交一代表現最明顯，F2 代後逐漸減弱，通常是在多個層面上多個性狀的整體表現。雜種優勢作為當前生產實踐中一種極為重要的遺傳改良技術，在遺傳育種方面起著重要作用。因在農業生產上廣泛利用該現象，從而使得動、植物的產量、品質和抗病性等方面有了大幅度的提升，這在一定程度上，對滿足市場需求、提高經濟效益和保障糧食安全等方面具有重要的實際意義。為了進一步提高雜種優勢的利用潛力，充分發揮其更好的引領雜交種選育和指導人類生產的重要作用，進一步深入研究其機理，尤其是分子遺傳基礎方面，又具有豐富基礎生物學理論知識等重要的科學理論意義。目前，雜種優勢形成的機理只是部分被解讀，和缺乏一種統一及令人滿意的具有代表性雜種組合的雜種優勢的全局觀點，繼而造成了其理論探索遠遠落後於實踐應用的現象(Birchler, 2015)。因缺乏明確的理論指導，而制約著雜種優勢在生產實踐中的深入利用和挖掘，同時仍面臨著對雜種優勢現象如何加以區分、如何加以合理利用，如何正確認識和突破現有雜種優勢理論、以及產量、品質與抗性間的協調等問題(何光明和鄧興旺, 2016)。因此，研究和闡明雜種優勢形成的機理，特別是分子遺傳基礎，對於相關研究人員而言仍是任重而道遠。
雜種優勢利用的概述
迄今為止，雜種優勢在農業生產上的利用是一種被人類利用的最為成功的生物學現象。在中國古代就有有關雜種優勢利用的記載，在農學名著《齊民要術》和《天工開物》等中分別對公馬與母驢交配產生的騾比雙親更強壯和家蠶雜交培育的事實進行了翔實的描述(李源祥, 1992, 農業考古, 1:9-14, 8)，這要早於西歐國家。相對於動物，植物雜種優勢利用的稍晚，在西歐國家最早開始其相關研究。
人工雜交種首次於 1717 年在園藝植物中被英國園藝學家 Thomas Fairchild 成功製備之後(Zirkle, 1935)，不同國家的學者、遺傳學家等相繼又對雜種優勢現象進行了多年的系統調查和研究，從中提出了不同的論斷和觀點，比如，作物育種時利用雜交種，「雜交有利，自交有害」等，並以不同的詞「Hybrid vigor」(Mendel, 1865)或「Heterosis」(Shull,1908)對所觀察到的雜種優勢現象加以定義。經過大量研究，至 20 世紀 30 年代初，玉米雜交種開始大規模商業化生產，繼而使得玉米雜交種被大面積廣泛種植，如：『先玉335』、『登海』、『華農』等系列優良新品種，這均得益於雜種優勢現象的首先被成功運用。玉米利用雜種優勢的先例對其它動、植物雜種優勢利用的研究起到了促進作用。20 世紀 50 年代，世界上開始研究雜交稻，而中國則於 60 年代開始從事雜交稻研究。其中，1966 年袁隆平提出利用雄性不育製備雜交稻的設想，並首次育成了生產上所能應用的強優勢雜交稻(袁隆平, 1996, 科學通報,17: 185-188)。在袁隆平主持培育「超級稻」計劃期間，先後培育出一批強優勢雜交新品種，使得水稻大規模種植。研究發現，與近緣親本系相比，雜交水稻品種(Oryza sativa)產量優勢為10%~20% (Luo et al., 2013)。隨著雜交作物的發展，目前全世界 50% 以上的水稻和玉米生產皆源於雜交種，產量相繼大幅度提升，從而使得雜種優勢育種成為提高糧食單產、滿足全球食品安全需求的有力工具。相對於大田作物，蔬菜雜種優勢更晚被利用和研究。世界上最早利用和研究該領域的國家是日本。目前在該國內，比如番茄、白菜及甘藍等蔬菜品種幾乎 100% 為雜交種。從上世紀 50 年代，中國也開始了對蔬菜雜種優勢育種進行研究和利用，至六七十年代，首批蔬菜雜交品種在生產上開始被應用，比如『蘇長茄』茄子等。七十年代中期到八十年代初是蔬菜雜種優勢研究和利用的快速發展時期，當時中國進行雜種優勢育種研究的蔬菜作物就已達 20 多種。自 1983 年以來，蔬菜雜種優勢的利用和研究作為蔬菜新品種選育的重要組成部分，在國內進行雜種優勢育種研究和利用的蔬菜作物就已擴大到 30 餘種，同時主要蔬菜作物育成的品種逐漸傾向於雜交種。在上世紀 80 年代，對蔬菜作物(包括十字花科, 茄科, 葫蘆科蔬菜作物以及黎科菠菜, 傘形科胡蘿蔔, 百合科大蔥, 洋蔥等)的雜種優勢育種主要體現於抗病性研究，實現聚合抗病基因。比如兼抗霜黴病、白粉病和炭疽病的黃瓜品種『Polaris』，以及兼抗番茄花葉病毒和葉黴病的番茄品種『東農704』、『毛粉802』等。蔬菜雜種優勢育種已發展成為最重要的蔬菜作物育種途徑，當前約80%~90%的蔬菜品種為雜交種，甚至在荷蘭、美國及以色列等蔬菜種業較發達國家，主要蔬菜的商業品種幾乎都是雜交種。
雜種優勢的遺傳基礎研究
經典數量遺傳學假說
在經典數量遺傳學中，對雜種優勢遺傳基礎的解析主要體現於顯性、超顯性和上位性三大假說。經研究發現，這三種作用模式在 F1 代中可同時起作用，亦或在特定的雜交組合中以一種為主(Li et al., 2008)；而對於雜交種的不同性狀，三種作用模式可分別起作用(Zhou et al., 2012)，從而構成了雜種優勢形成的基礎。對水稻和玉米等大田作物進行了相對廣泛、深入的雜種優勢機理的研究。起初的研究認為，上位性對水稻產量的形成起著重要作用。經進一步研究發現，單位點效應和上位性及顯性互作可以解釋水稻雜種優勢現象(Hua et al., 2003)，其中顯性和上位性是影響水稻株高優勢的主要因子(Shenet al., 2014)。與之不同的是，Luo 等(2009)的研究分析結果顯示，超顯性亦是引起產量雜種優勢的重要遺傳基礎之一。Zhu 等(2016)認為儘管超顯性很普遍，但基因-基因的顯性作用可以解釋苗期優勢的大部分遺傳效應。這表明在水稻雜種優勢形成的基礎中顯性可能是主要因子。Dan 等(2015)的研究發現產量的構成因子雜種優勢整體上並不突出，但這些因子的累積使得巨大的產量雜種優勢得以產生。因此，可能是大量的呈顯性作用的位點的共同作用，才使得水稻雜種表現出超親優勢。通過研究發現，除超顯性外，顯性也是玉米產量雜種優勢的形成的基礎之一(Wei et al., 2016)，經進一步有關研究發現，在玉米苗期耐冷的 6 個 QTL 位點也表現出部分顯性或超顯性(Yan et al., 2017)。Li等(2017a)利用 NCIII 設計，解析了「鄭單958」的雜種優勢，其中超顯性對於穗重和株高及穗位高相關性狀(Li et al., 2017b)的調控發揮著重要作用。這表明玉米產量雜種優勢形成的機理可能是顯性和超顯性共同作用。與其他異花作物相比，如玉米，自交作物水稻中顯性互作對雜種優勢可能具有更重要的作用。目前，蔬菜雜種優勢機理的研究表現的更薄弱，主要集中於部分蔬菜類作物。比如，十字花科類和茄科類等蔬菜。不同蔬菜作物間雜種優勢存在明顯差異，其中茄果類、黃瓜類以中等優勢為主，而十字花科有明顯的超親優勢，但解析其遺傳機理，仍需進一步深入研究。總之，只憑藉某一種或幾種等位基因的相互作用很難解釋清楚這種連續的、由多種基因及多對等位基因控制的，並受其生活環境影響的複雜現象。
雜種優勢的分子基礎研究
儘管對雜種優勢機理進行了一百多年的研究，但其形成的遺傳基礎仍然是一個懸而未決的問題(Goulet et al., 2017)。從分子層面講，雜種優勢形成的前提在於親本間的遺傳異質，即主要是基因組序列差異，這種差異繼而使得轉錄組和蛋白組發生變化。對於這種複雜現象，為解析其形成的分子遺傳基礎，目前主要集中從配合力、基因組多倍化、優勢單位點或基因、全基因組學、轉錄組學、表觀遺傳學、蛋白組學、代謝組學及各個組學交叉等層面對雜種優勢加以研究。
配合力
育種實踐證明，優良的雜交親本必須兼有良好的農藝性狀與較高的配合力，這是雜交種選育親本的關鍵。在選擇優良雜交親本時，如何理解和處理親本的普通配合力和組合的特殊配合力的關係，及哪種配合力起決定作用等問題。經大量研究表明，親本的普通配合力和組合的特殊配合力對雜種優勢的貢獻作用，相對獨立而不受影響(廖伏明等, 1999; 齊紹武和盛孝邦, 2000)。因此，在選育品種過程中，二者需要同時考慮。進一步研究發現，某一組合特殊配合力的強弱對該組合產量優勢的強弱起決定作用。Zhou等(2017)在水稻中發現和證實，特殊配合力對產量更為重要，已知 Sd1、Ghd7、Ghd8 和 DEP1 位點對除產量和種子結實率外的農藝性狀具有較高的普通配合力， Ghd8、 S5 和 qS12 等 QT L對產量具有較好的特殊配合力，呈超顯性，這也表明不同的性狀可能取決於不同的配合力。經育種實踐表明，選擇雜交親本時，一般先測定其普通配合力，以避免盲目選配雜交組合，在選擇較高普通配合力的親本的基礎上，再選擇較好特殊配合力的組合，從而才能選出優良的雜交組合，同時這亦能了解某一性狀是受一般配合力還是特殊配合力決定，這對選擇育種具有重要意義。
基因組多倍化
一些研究發現，基因組加倍後部分植物有明顯雜種優勢現象。Yao 等(2013)發現不同基因組受等位基因多樣性的劑量敏感因子調控，多倍化並不是提高異源多倍體優勢的唯一原因，其中擬南芥雜種優勢度受環境調控，較其祖先積累更多澱粉(Solhaug et al., 2016)。而伴隨蕪菁基因組的三倍化，表觀遺傳調控亞基因組呈現顯性(Cheng et al.,2016)。因此，基因組多倍化亦可能是某些植物雜種優勢形成的原因之一。
單位點或優勢基因
實踐表明，大批優勢相關位點或基因的定位和克隆對於實現育種實踐中優異等位基因的聚合及新品種更好的培育具有重要指導意義。因此，在雜種優勢形成基礎的研究中最理想的狀態，即鑑定出與性狀一一關聯對應的優勢位點或基因。經大量研究，部分植物雜種優勢的主效位點或基因不斷被鑑定出來。比如，番茄 SFT (Krieger et al., 2010)、玉米 CNR1 (Guo etal., 2010)等。但目前這樣的例子依然有限，這可能與在雜種優勢中起著重要作用的基因-基因互作(Zhou et al., 2012)、不同優異等位基因間非加性互作的存在、此作用方式不具有普遍性，或需要運用新的遺傳分析方法等有關(何光明和鄧興旺, 2016)。
全基因組學
在不同研究中均利用單個組合解析雜種優勢形成的遺傳基礎，而其最終結果呈現多樣性，原因可能在於利用單個組合獲得的結果具有特殊性。增加親本數量，從而擴大遺傳多樣性，實現對一系列雜種進行整合分析，這將可能獲得雜種優勢形成基礎的基本結論。由於雜種優勢主要體現在 F1 代在數量性狀上的相對優勢。因此，更應該著重從全基因組學角度對雜種優勢形成的遺傳基礎進行探究。比如，在全基因組方面的研究發現，水稻雜種優勢形成的主要因素是大量稀有的呈現正向部分顯性效應的優勢等位基因在產量位點上的積聚(Huang et al., 2016)。
轉錄組學
轉錄組學技術的發展，促使雜種優勢在轉錄組學方面的研究也取得了階段性進展。在水稻(Zhang et al., 2016)和玉米(Marcon et al., 2017)等作物上轉錄組方面的相應的研究結果證明，雜種後代與親本系之間的基因差異表達可能有助於植物的雜種優勢的形成(Song et al., 2010)。通過深入研究提出，差異表達基因可能參與雜種優勢形成的重要生物學途徑(Groszmannet al., 2015)。例如，在超級稻「兩優培九」的多種組織中進行了雜交種和親本之間轉錄組的比較分析結果表明，趨高值親本差異表達基因在能量代謝和物質轉運類別中有明顯的富集，而且差異表達基因和水稻中已知的產量相關QTL具有很好的對應性(Wei et al., 2009)。而 Groszmann 等(2015)發現在正常生長條件下SA合成途徑中相關基因在F1代中的下調表達，可能對擬南芥的生長勢雜種優勢具有貢獻。因此開展轉錄組學技術領域研究將更有助於精準解析雜種優勢形成的分子遺傳機制。
表觀遺傳學
導致基因差異表達的另一個原因在於表觀遺傳變異。後者可通過 DNA 甲基化、組蛋白修飾和 sRN A等層次調節植物基因表達，從而在植物體響應外界環境脅迫、自身生長發育和內在穩定基因組等方面發揮著重要作用。在以往的研究中基因的互補作用和上位作用已經積累了大量的經驗支持，而最近的研究發現，表觀遺傳調控和sRNA活性也可能對雜種優勢的形成產生重要影響。但不同研究得到的結果也不盡一致，甚至相反(張媛媛等, 2016)。Groszmann 等(2015)研究發現，在雜交種中 sRNAs 高表達，且直接參與了 DNA 的甲基化過程。這表明在雜合體形成過程中DNA甲基化起著重要作用(Hofmann , 2012)。在「甬優12」超級稻中鑑定出一個調控理想株型提高產量的、並與降低DNA甲基化相關的 QTL (qWS8/ipa1-2D)，在最佳表達/劑量時可導致理想產量(Zhang et al., 2017)。此外，在小麥、番茄、擬南芥等植物上進行的表觀遺傳學方面的研究也取得了一定進展。目前，關於雜種F1代中全基因組範圍表觀遺傳變異的最初來源，以及其與雜交親本基因組序列變異之間是否具有聯繫並不清楚，表觀遺傳因素與遺傳因素是如何共同調控F1代中基因差異表達，進而對雜種優勢的形成起貢獻仍是該方向的研究重點(何光明和鄧興旺, 2016)。總之，從表觀遺傳學角度，對雜種優勢遺傳基礎進行深入探討，使得雜種優勢機理的解析變得更為複雜化，但必須清晰的認識到這是闡釋機理不可或缺的環節。
蛋白組學
儘管在轉錄組水平上研究雜種優勢極大地促進了其遺傳基礎解析，但蛋白質水平上的各種差異並不能被轉錄水平上的差異完整精確地所表現出來。蛋白質不僅參與生物體的細胞、組織等重要組成，同時在許多重要的生命活動過程中也發揮著重要的生物學功能。因此，從蛋白質組水平上，對 F1 與其親本之間差異蛋白的變化規律進行研究，以及了解其對雜種優勢形成所起的作用，這對於進一步探究雜種優勢形成的遺傳機理是不可或缺的重要一環。隨著質譜鑑定技術、色譜分析與質譜聯動技術及雙向螢光差異凝膠電泳等相關技術的發展，應用蛋白質組學相關技術進行雜種優勢遺傳基礎探究的報導已大量出現。研究發現，總蛋白和線粒體蛋白與玉米雜種優勢緊密相關(Dahal et al., 2012)。而進一步研究發現雜合蛋白和DNA互作可改變生物鐘調控基因的表達，影響種間雜種或異源四倍體代謝或生物量的優勢(Ng et al., 2017)。但蛋白質差異表達分析的廣度和精度仍受到技術因素的限制。因此，伴隨著高解析度和高靈敏度蛋白質組學定量技術及其他相關技術的發展，將其最新成果應用於分子機理解析的研究，這將有助於儘早揭示雜種優勢形成的基礎，同時這也是該領域非常有潛力的研究方向。2.2.8代謝組學代謝組在基因組與表型組之間起到了橋梁作用。目前，水稻(Xu etal., 2016)、玉米(De et al., 2017)等植物上應用代謝組學分別進行雜種優勢預測等方面的研究結果發現，21945 個雜交稻，分別用6種方法進行產量優勢預測，其中代謝組數據是預測雜種產量較基因組數據可提高 2 倍(Xu et al., 2016)。Riedelsheimer等(2012)利用 130 個代謝物對 285 個優良自交系的測交組合的雜種優勢進行了預測，發現利用代謝物QTL位點可以對玉米雜種優勢進行較精確的預測。雜交種較自交系的代謝物水平更穩定，初步建立了利用在嚴密控制條件下的玉米生長幼苗根系代謝物預測複合大田雜交種表型(De et al., 2017)。通常，作物 F1 代的強優勢組合是多年田間試驗的基礎上，通過大量的篩選組合而得到的，費時費力而且缺乏預見性。因此，尋找一種簡單有效的方法在育種早期世代來預測組合親本潛在的雜種優勢，是目前雜交育種中亟待解決的問題。應用代謝組學進行植物雜種優勢預測的具有更高的精確性和更好的可靠性，這就為雜交育種中選配強優勢組合提供了新契機。總之，隨著基因組、轉錄組和代謝組等各種組學技術及整合生物學的發展，這為我們展示雜種優勢更為全面的圖景提供了更多的技術支撐。
相關新技術在雜種優勢分子機理研究中的應用
全基因組關聯分析
全基因組關聯分析(genome-wide association studies, GWAS)是一種將表型性狀與全基因組信息之間進行關聯，通過分析從而鑑定出與性狀相關的基因或遺傳位點的方法(Huang and Han, 2014)。由於新一代測序技術(NGS)的進步，該方法已成為許多物種解析基因型與表型關聯的廣泛所接受的策略。這種基於連鎖不平衡原理的方法很好的解決了F1代與其親本之間全基因組水平的基因表達、表觀遺傳修飾的差異與雜種優勢表型性狀相關聯的問題。全基因組關聯分析首次在水稻中得以成功應用，鑑定出了與水稻產量相關的等位基因，及發現了其積累是產量雜種優勢的重要貢獻者(Huang et al., 2015)。目前，隨著測序技術逐漸變得更為高效和低成本化，許多重要農作物的基因組目前已被完成測序或重測序，比如水稻、玉米、大豆、番茄等 (唐丁等, 2018)。這也將有助於通過 GWAS 技術鑑定出與重要農藝性狀相關的優勢位點或基因。
3.2 代謝物全基因組關聯分析
代謝物全基因組關聯分析(metabolite-based genome-wide association study, mGWAS)是一種通過基因組重測序信息與代謝組檢測結果之間的相關關係，而進行代謝物全基因組關聯分析的方法。利用重測序+廣泛靶向代謝組進行mGWAS與傳統表型性狀GWAS相比其優點在於具有更高的檢測效力和檢測精度，避免了位點遺傳效應相對較小、檢測力較低等問題。目前，該方法在植物中已成功得以應用(Luo, 2015)。如水稻(Chen et al., 2014)、玉米(Wen et al., 2014)、番茄(Zhu et al., 2018)等。這些結果表明，利用mGWAS進行代謝組遺傳和生化基礎等方面的研究，可以作為批量定位基因和作物遺傳改良的有力工具。雖然，目前在雜種優勢方面的研究中應用mGWAS的案例還鮮有報導，但依據mGWAS優點特性，也必將應用於揭示雜種優勢機理的深入研究。3.3基因編輯技術CRISPR/Cas9 (Clustered regularlyinterspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated 9)，即規律成簇間隔短回文重複序列及其核酸酶系統，是一種當前最為主流的基因組編輯技術。因其具有操作簡便，成本較低，編輯效率高(可同時編輯多個靶點)等優點(Brooks et al., 2014)。利用該技術，可對特定雜種優勢基因進行編輯，繼而實現基於同一背景下，系統比較不同等位基因的優勢效應。目前，已有應用該技術編輯番茄基因組的報導(Xu et al., 2015; Uluisik et al., 2016; Rodríguez-Leal et al., 2017)。總之，將 CRISPR/Cas9應用於挖掘有利等位基因及實現作物定向育種等方面的潛力極大。
展望
雜種優勢這種自然界普遍存在的複雜現象，相關研究工作者從多方面、多角度對其形成的遺傳基礎進行了多年的大量研究，雖然獲得了很多有價值的結論，但雜種優勢機理只是部分被解讀，和缺乏一種統一及令人滿意的具有代表性雜種組合的雜種優勢的全局觀點。具有雜種優勢的性狀通常為受多基因調控的數量性狀。對控制數量性狀的基因位點(QTL)的定位及系統分析，使得雜種優勢形成的分子遺傳基礎的解析變為可能(李雪林等, 2003)。因 QTL 定位方法本身的局限及雜種優勢主要表現為F1代在數量上的相對優勢，因此，應著重從群體全基因組角度進行植物雜種優勢形成的基礎探究，從而避免因利用單個組合獲得的結果具有特殊性。對於雜種優勢這種複雜現象，隨著分子標記技術的大量湧現和基因組序列的陸續釋放以及相關分子生物學技術的發展，已逐漸從染色體區間水平、單基因水平過渡到相應的基因組、轉錄組、表觀遺傳組、蛋白質組和代謝組以及組學間聯合等各個組學層面，從不同角度、整體水平上進行探究分析，分離出主效優勢基因，及加強其生物學功能剖析，從而建立起雜種優勢形成的分子調控網絡。生物大數據分析也逐漸成為雜種優勢遺傳機理研究的必然趨勢。相關研究工作者在開展機理研究的同時，亦要加快開拓、發展用於雜種優勢機理解析研究的新技術等。比如，mGWAS、CRISPR/Cas9 等。這對於儘早揭示雜種優勢機理，繼而實現雜種優勢育種更好的服務於人類生產等具有重要意義。
參考文獻：
http://kns.cnki.net/kcms/detail/46.1068.S.20180926.1351.024.htm
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