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从杂交基因组到杂种优势性状输出：挑战与机遇
北京大学：刘文文，张宜林，何航，何光明，邓兴旺
摘 要
杂种优势（或杂种活力）已被广泛应用于作物种子育种以改善其众多关键经济性状。尽管如此，这一重要现象的遗传和分子基础长期以来一直难以捉摸，因此限制了其灵活和有效的开发。利用先进的基因组学方法描述杂种优势的机制是有效的。在这里，我们回顾了包括基因组、转录组学的组学方法和群体遗传学方法，如全基因组关联研究，它们能够揭示植物中杂种基因组如何优于亲本基因组。这一信息为作物育种中杂种优势的基因组探索和操控提供了机遇。
关键词：杂种优势；基因组；基因表达；群体；作物育种
简介
杂种优势是指F1代在生长、发育、产量和环境适应性等方面均优于其亲本。近一个世纪以来，杂种优势在世界范围内促进了主要农作物产量的提高，在保障人类粮食安全方面发挥了重要作用。然而，杂种优势的遗传和表型复杂性使得传统的方法难以揭示杂种优势的因果关系基因。此外，目前围绕杂种优势背后的机制几乎没有达成共识。
针对杂种基因组内的互作，目前提出了3个主要假说来解释杂种优势：显性效应（杂种优势源于一亲本有益显性等位基因对另一亲本有害隐性等位基因的全基因组屏蔽效应）、超显性效应（在杂种中，两亲本的等位基因互作可产生超显性效应）和上位性效应（在杂种中，两亲本不同基因位点的等位基因互作产生杂种优势）。然而，在分子水平上解析这些过程如何在杂交基因组中运作并产生杂种优势表型，长期以来一直是一个挑战。
近几十年来，重要作物种质的高质量基因组组装或全基因组重测序，有助于鉴定产生杂种优势的杂交种两套基因组间的基因组差异。这些特征包括存在/缺失变异（presence/absence variations，PAVs）、拷贝数变异（copy number variations，CNVs）和包括单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphisms，SNPs）和小的插入/缺失（insertions/deletions，INDELs）在内的等位基因变异。基于群体基因组变异，可以利用数量性状位点（quantitative trait locus，QTL）定位或全基因组关联研究（genome-wide association studies，GWAS）鉴定杂种优势相关位点，阐明作物杂交育种过程中优势等位基因的选择与整合。
此外，对杂交种在不同组织和不同物种发育阶段相对于亲本基因表达的全基因组变化的调查，为基因表达互补对杂交种活力的贡献积累了证据。表观基因组学研究表明，杂交种中DNA甲基化、组蛋白修饰和小RNA相对于亲本的变化与杂交种中基因表达模式的改变有关，使得对杂交种中基因活性变化的认识也取得了一定进展。在过去的十年里，这些发现使从基因组角度全面理解杂种优势的分子机制的发展迈出了一大步。随着更多物种的全基因组测序以及高通量染色体构象捕获（high-throughput chromosome conformation capture，Hi-C）、转座酶可及染色质高通量测序（ATAC-seq）和基于单细胞测序的多组学方法等新的基因组策略的进一步应用，为揭示杂种优势机制和挖掘农业背景下的这些性状创造了更多的机会。
杂种优势表现在各种植物杂种的整个生命周期
杂种优势被定义为F1杂种表现超过双亲平均值的中亲优势（mid-parent heterosis，MPH）或超过较好亲本的超亲优势（better-parent heterosis，BPH）的比例，其中只有 BPH 被认为在农业应用中比较重要。在双子叶植物和单子叶植物中，各种性状都表现出杂种优势。它几乎体现在植物的整个生命周期，从种子萌发到种子生成，尽管这些杂种优势性状发生在不同的杂交种中。例如，拟南芥C24/Ler互作杂种表现出比两个亲本生态型更早的种子萌发现象。萌发后，一些拟南芥杂种子叶或地上部的生长势一般发现早在播种后3-4 d就已建立，并可在营养生长阶段继续维持，真叶生长的杂种优势也是在发育初期建立的。对于地下部部分，拟南芥根系相关性状的杂种优势也很明显。在抽薹后的生殖阶段，不同的拟南芥杂种表现出不同程度的株高、分枝数、种子大小和产量的杂种优势。水稻、玉米、小麦、高粱、棉花、番茄、甘蓝、小白菜、油菜、木豆等杂种F1代的种子萌发、地上部生物量、根系生长、株高、抽穗期和产量方面的杂种优势也有报道。一些杂种在细胞和亚细胞水平上也表现出杂种优势，包括细胞体积变大、细胞数量增多、细胞壁扩张增强、叶绿体数量增多等。除了生长和产量的杂种优势外，一些植物杂种在对生物或非生物胁迫的反应，如对病原菌的抗性或耐冻性方面，表现出比亲本更强的适应性或环境适应性。此外，在生理水平上的杂种优势在不同的杂种中都有体现，包括在磷酸盐的获取、水分的利用、叶绿素和淀粉的生物合成等方面。
尽管有如此丰富的结果，但在同一个杂种中并不能常观察到不同的杂种优势性状。例如，虽然生物量或产量相关性状常常一起表现出来，但在杂交种中，生物量和植物防御相关联的杂种优势却不普遍。因此，剖析这些性状的杂种优势需要将其分割成最基本的生物学特性。此外，由于杂种优势的强弱通常具有组织依赖性或时间动态性，并受基因型和环境的影响，因此，对其分子机制的探索应考虑特定性状杂种优势的关键时间点和细胞类型，同时也应考虑到与环境因素的相互作用。
基因组变异为杂种优势提供了基本的遗传基础
在F1杂种中，两亲本间基因组序列变异产生的基因组杂合性是杂种优势表型产生的根本动力。这一推断符合杂种优势只能在杂种F1代中观察到，而在后代中当某些基因组区域变为纯合子时便不再稳定这一事实。此外，杂种优势在具有高水平遗传多样性的玉米自交系间的杂交种中普遍存在。
从遗传学的角度来看，上述3种被广泛接受的遗传假说和伪超显性优势理论描述了几乎所有可能导致杂种优势的新的等位/非等位相互作用的可能性。然而，一个巨大而长久的挑战是在分子水平上构建杂种优势因果关系位点的工作模型。近二十年来，基因组学的发展极大地促进了这一领域的研究。目前，由于全基因组高通量测序技术的成熟，包括短读和长读测序、Hi-C和BioNano等，不同植物品种的高质量基因组序列已经具备。利用这些序列结合比较基因组学方法，可以在基因组水平上对植物杂种优势的机制进行全面的探索。
SNP作为基因组中最频繁的变异，常常被用来描述杂交基因组的亲本遗传距离（parental genetic distance，PGD）和杂合度等一般特征。基于SNP信息，目前已经计算了拟南芥191个种内杂种的PGD，但尚未发现PGD与生物量杂种优势水平的相关关系。相反，在这些杂交种中，以SNP密度为代表的杂交种基因组杂合度与生物量杂种优势呈现微弱但显著正相关。然而，在另一种情况下，基于SNP的PGD与自交系亲本间的单亲表达（single-parent expression，SPE）基因数量呈正相关，这可能驱动玉米杂交种的基因表达互补。此外，基于SNP数据，1903个小麦杂交种的籽粒产量杂种优势单独随PGD的增加而增加。在杂交稻品种中，全基因组杂合度与产量性状表型变异的相关性很弱。因此，迄今为止，对于SNP评估的亲本基因组差异程度与杂种优势水平之间的关系还没有达成共识。其困难可能与SNP只是基因组变异的一种类型有关，对PGD和杂合基因组杂合度的代表性有限。此外，杂交种基因组中并非所有杂合区域都在杂种表型中发挥必要的作用，某些关键位点的等位变异反而有助于特定杂交种中特定性状的杂种优势。
除了SNPs外，小的INDELs和PAVs可以通过二代重测序在植物全基因组中得到鉴定。例如，PAVs在不同玉米自交系间的基因组变异中占有重要地位，可能通过PAVs所包含的基因功能互补或表达互补来促进杂种优势。SNPs和INDELs反过来会影响基因功能，从而可能通过互补这些变异引起的有害突变而发挥杂种优势。此外，SNPs和INDELs可以影响杂交种的基因表达。例如，在水稻中，启动子区域的INDELs可以产生多态性的顺式调控元件，这些元件通过与转录激活子/抑制子的相互作用与杂交种中的杂种优势基因表达相关。最近，获得了不同作物品种的高质量基因组或从头组装的泛基因组，从而能够更准确地检测基因组结构变异。玉米种内自交系Mo17和B73的比较基因组学分析发现，其基因序列变异比例很高，大约10 %的基因互为非同义突变，> 20 %的基因要么发生大效应突变，要么发生大结构变异。这些差异可导致两个自交系间蛋白质或调控序列多样性增加，从而在杂种优势中发挥潜在作用。
因此，在过去十年中迅速推进的技术促进了杂种优势基因组解析方面的进展。今后，更好地理解基因组对杂种优势的贡献，不仅取决于种内基因组变异的比较分析，还取决于这些变异在亲本间的表型差异和杂种优势性状上的功能特性。尽管有一些单基因位点对植物杂种优势有贡献的例子，但其中的挑战在于通过基因表达或功能的改变，找出更多的调控或编码区等位变异对杂种优势有贡献的主效位点。
全基因组基因表达变化是杂种优势形成的分子机制
在真核生物中，遗传因素很大程度上塑造了基因组活性和基因表达，这一过程主要通过基因组顺式作用元件和反式作用因子来完成。不同种类的表观基因组因素也影响基因活性。在许多植物物种中，F1杂交种的两套基因组和表观基因组的结合，导致杂交种相对于亲本在各种组织的转录和蛋白质水平上普遍存在差异基因表达。然而，差异表达基因（differential expression gene，DEGs）的表达模式和生物学功能通常是基于特定的基因型、组织和/或发育阶段，难以从基因表达的角度对杂种优势产生普遍的解释。
一般来说，与亲本相比，杂种F1的基因表达效应可分为加性和非加性。非加性表达包括显性和过显性/低显性表达。以往大多数研究主要集中在非加性DEGs在杂种优势中的重要性。例如，通过对非加性DEGs的顺式元素富集分析，揭示了杂种昼夜节律变化在调控生长和防御杂种优势中的作用。此外，近年来有更多的证据表明杂交种的基因表达互补。例如，通过转录组研究，SPE驱动基因表达互补在玉米杂种优势中的重要作用已被广泛发掘。这种互补可以通过PAV-或非PAV的SPE基因来实现，SPE基因主要受顺式效应的调控，主要由启动子的多态性转座元件完成。从基因功能来看，参与两条基本生物学途径（有丝分裂和光合作用）的转录调控网络枢纽基因之间的时空超亲优势表达互补，有助于拟南芥生物量杂种优势的形成，这为杂交育种和杂种优势应用提供了新的指导。伴随着转录变异，蛋白质的非加性表达可能有助于杂种优势形成。例如，在玉米杂交种中，包括参与碳同化的关键酶在内的昼时表达蛋白表现出非加性丰度，而在杂交种中上调表达的蛋白则富集在光合作用相关过程中，该研究强调了在杂种优势中超显性基因表达的参与。通过等位基因特异性表达分析，研究了来自一个亲本基因组的调控因子与来自另一个亲本基因组的靶基因之间的相互作用及其在杂种优势中的作用。同时，与亲本相比，杂种在表观遗传修饰上表现出独特的模式，这可能是由于亲本间的表观遗传多样性导致的表观等位变异增加所致。这些研究不仅为杂交种中基因表达互补或非加性基因表达均可在杂种优势中发挥作用提供了证据，而且反映了亲本基因组间或表观基因组间互作对杂交种基因表达的影响。此外，翻译水平上的基因表达通过改变m6A修饰水平和翻译效率与杂种优势相关，暗示表观遗传学和转录后基因表达调控对杂种优势具有一定贡献。
另一个解释生长和生物量杂种优势的假说是植物杂交种中生长和防御的权衡，目前已在有关基因表达的研究中被报道。例如，在生长相关杂种优势水平较高的拟南芥杂种中，水杨酸生物合成和响应途径的基因活性下降并与杂交种叶片细胞大小增加的杂种性状相吻合。另一项研究表明，对于生物量而言，刺激响应基因在高BPH的拟南芥杂交种中被抑制到低亲水平，而这些基因的中亲表达则发生在无BPH的杂交种中。而在木豆的生长相关杂种优势研究中也揭示了类似的机理。这些发现暗示，在没有生物或非生物胁迫的正常生长条件下，杂交种中的基础防御基因保持了比亲本更低的表达水平，从而使其能够通过防御和生长的权衡获得更多的生长量。
综上所述，杂交种全基因组的基因表达变化在许多生物学性状中充当了遗传/表观遗传变异与杂交种具有更好的表现的主要联系。此外，杂交种与亲本在基因调控网络上存在复杂的差异，网络枢纽基因的鉴定有助于阐明杂种优势形成的重要生物学途径。为了更全面地了解杂交种中基因活性的调控机制，有望应用新的基因组活性调查策略来完成。除了转录组学和表观基因组学的研究之外，利用ATAC - seq对调控基因的研究为直接比较杂种和亲本间染色质可及性的全貌以及评估其在杂种基因活性变化中的作用提供了一个很好的机会。此外，在器官或组织水平甚至通过单细胞RNA-seq获得整个发育阶段的高时空分离度和动态转录组，将有助于全面了解杂种F1的基因活性如何重塑不同生物学途径的调控网络，从而促进杂种优势。
群体基因组信息是挖掘杂种优势位点的优良资源
群体对于识别调控植物各种生物学性状的遗传成分十分有用，特别是对于挖掘数量性状的遗传变异。由于许多数量性状都表现出杂种优势，基于群体的数量遗传学方法如QTL定位和GWAS也被应用于许多物种的基因组结构表征和杂种优势的因果位点鉴定。
通过对1495个杂交稻品种的基因组图谱和38个农艺性状的全基因组扫描，发现130个杂种优势相关位点，发现产量表现（粒数）与优势等位基因数之间存在高度相关（r = 0.55），表明杂种优异等位基因的积累是杂种优势形成的重要原因。水稻群体产量杂种优势基因组结构的另一项研究通过GWAS验证确定了大效应QTL，揭示了QTL对产量相关性状的正向显性效应。另外两项研究结果也表明了与拟南芥种群相似的结论。这些发现不仅突出了显性效应在杂种优势中的重要作用，而且表明通过固定更多的优势等位基因，是杂种优势利用的有效途径。此外，超显性或伪超显性效应也被发现是籼粳杂交种产量杂种优势的主要原因。例如，OsSPL14杂合型（IPA1 / ipa1）比IPA1 / IPA1或ipa1 / ipa1单株产量高。通过对现代水稻杂交育种历史的基因组图谱进行定位，发现显性和超显性QTL对水稻不同农艺性状的杂种优势均有贡献，而亲本间的遗传渐渗是这些杂种优势位点的主要来源。此外，连锁F1群体对鉴定杂种优势位点是有效的。通过对30个玉米群体42840个杂交种的遗传图谱分析，揭示了3种遗传效应（加性效应、显性效应和上位性效应）对杂种优势的贡献及其累积效应，并通过营养生长到生殖生长的发育提高了其杂种优势的表现。本研究还强调了上位性QTL引起的成花转换在杂种优势形成中的重要性，即杂种优势形成过程中父本等位基因会抵消有害等位基因对母本自交系其他有利QTL的上位性抑制作用。利用面包小麦群体的研究也报道了上位性效应对籽粒产量杂种优势的作用。然而，对3个优良玉米杂交种后代的另一项遗传分析结果表明，完全-不完全显性或超显性效应是产量相关性状强杂种优势的主要原因。这些结果表明，杂种优势形成的遗传效应取决于基因型、发育阶段和特定性状。此外，这些研究揭示的杂种优势多基因效应的复杂遗传基础突出了利用具有丰富遗传变异的群体挖掘各种环境中不同性状杂种优势遗传位点的能力及重要性。
由优良杂交（F1）衍生的F2群体也是通过基因组测序进行杂种优势分析的良好选择。由于F2群体包含了与F1群体的基因型分离，因此可以准确估计其遗传效应。然而，有学者根据F2群体不易保存的特点设计了产生“永久F2”的实验。在这种设计中，随机选择的重组自交系（recombinant inbred lines，RILs）之间进行杂交，目的是保持每个F2个体的杂合等位基因。永久F2群体可以保存和调查多个表型分型，已在水稻、玉米等多种作物上实施，例如利用保持系‘珍汕 97’和恢复系‘明辉 63’杂交后代的RILs创造了一个‘永久F2’群体，从全基因组水平上全面解析水稻杂种优势中显性、超显性和上位性的遗传贡献。
最近，Huang等通过总结水稻已知的QTNs构建了一个数量性状核苷酸（quantitative trait nucleotides，QTN）图谱，纳入了迄今为止水稻数量性状基因最全面的关键功能变异，包括异源QTNs。随后，他们创造了一系列覆盖这些QTN的水稻品种，并开发了水稻基因组导航系统（RiceNavi）用于育种。这一成果不仅突出了QTNs效应估计在杂种优势中的效用，也预示了通过固定和聚合优势等位基因来利用杂种优势的有效途径。
利用增加不同植物群体的表型和基因组数据鉴定出杂种位点及其遗传效应，将为杂交育种生产性能可取的理想植株提供有用的信息。
结论
杂种优势是现代农业生产中最重要的现象之一，但虽然经过一个世纪的农业利用，也没有对其完全了解。幸运的是，在过去的二十年里，基因组学方法和群体研究为F1杂交种优异性能背后的遗传和分子机制提供了巨大的机会。杂种优势一个经常争论的问题是，一般机制是否能解释各种性状的杂种优势。基于该领域迄今的研究进展，人们倾向于推测：虽然某一性状杂种优势背后的机制与特定途径的基因有关，但引起杂种优势表型的杂交种的遗传和分子作用模式却大致相同。未来，利用多水平（包括DNA、RNA、蛋白质、代谢产物和性状）的杂种在不同发育阶段或环境下的高通量组学数据，以及QTL定位、GWAS等不同的数量遗传学分析工具，将更清楚地了解分子调控机制，为进一步利用杂种优势指导杂种优势育种奠定基础。特别是不同研究鉴定出的玉米和水稻重要杂种位点，将作为今后育种的关键标记，通过对其自然变异的选择和组合，快速获得理想植株。此外，随着分子设计育种、基因组编辑技术、反向育种途径和杂交种自繁等方面的快速发展，有望为杂种优势在农业上的应用带来新的机遇。