做物的杂交后代比它的双亲表示出更大的生物量、更强的抗逆性、更高的产量，那就是杂种优势。百余年来，遗传学家不断在苦苦探寻其背后的遗传学机理，寻找能让后代比双亲更“出色”的基因位点，却难以揭开其奥秘的面纱。

近日，我国科学家在构建玉米核心自交系泛基因组、解析玉米杂种优势构成机理方面获得重要停顿。评审专家认为，该研究组拆的玉米基因组十分重要、有用和翔实，将对玉米研究和育种效率的进步产生关键鞭策感化。相关论文在线颁发于《天然-遗传》。

奥秘的杂种优势机理

“杂种优势是生物界的遍及现象，杂种优势操纵是做物育种的次要办法之一。”论文配合通信做者、华南农业大学传授王海洋告诉《中国科学报》，目前动物杂种优势的遗传机理研究整体上比力滞后。

论文配合通信做者、北京市农林科学院研究员赵久然说，玉米是农做物中杂种优势最强、应用最胜利的做物之一，目前我国消费上所用的玉米品种几乎都是基于杂种优势的杂交种。

做为育种科学家，赵久然自称“玉米团长”，也是该研究的配合倡议人。赵久然率领团队培育并规模化推广了100多个国度审定的优良玉米品种，但他告诉《中国科学报》，育种中实正碰着强的杂种优势的概率仍不高。

在育种理论中，赵久然如许的科学家已经能够凭仗大量表型察看和育种理论经历积累挑选适宜的亲本群体做杂交尝试，但其过程需要消耗大量精神和时间，“一个一个植株测配，再去测试杂交种的性状”。

然而，玉米为何具有较强的杂种优势，那一问题尚未得到处理。“那是做遗传学研究的科研人员都想答复的一个问题。”王海洋说，那个现象自己十分复杂，目前一些假设只是从某一侧面或者角度来测验考试解答。

杂交种是由两个纯合质料通过杂交产生的F1代，此中的纯合质料就是所谓的自交系亲本。假设事先晓得哪两株亲本杂交能够产生很强的杂种优势，就不消做那么大规模、高成本的杂交配种。

论文第一做者、中国农科院生物手艺研究所研究员王宝宝在承受《中国科学报》采访时说，虽然学界遍及认为玉米杂种优势与双亲的遗传差别相关，但是因为差别类群的玉米自交系遗传差别很大，传统上用一个公共的玉米质料做为参考基因组停止遗传阐发，往往容易漏掉许多玉米类群特异的遗传信息。

王宝宝说，因为缺乏玉米核心种量精准基因组信息，玉米杂种优势研究难以深切。那使得目前玉米杂交种选育次要依赖经历，育种周期长、效率低下、打破性新品种匮乏。

初次从基因组程度验证“遗传互补假说”

当下一种流行假说认为，玉米杂种优势的产生是因为两个亲来源根基有的优缺点正好互补，杂交后代保留了两边长处。要想验证那一假说，不领会玉米类群遗传信息的差别性是不可的。

鉴于此，王海洋团队结合了华南农业大学、中国农科院生物手艺研究所、中国农业大学、北京市农林科学院、河南农业大学等的科研团队，操纵三代测序等手艺，组拆了世界范畴内普遍利用的12 个骨干自交系亲本的高量量基因组，并连系已颁发的玉米基因组，构建了温带玉米核心育种种量的泛基因组。该泛基因组几乎代表了当前消费应用的所有玉米杂种优势群。

“此前研究表白，玉米自交系间的遗传差别比人类与大猩猩之间的差别大。而我们的阐发表白，自交系间的差别可能比我们预估的还大。”王宝宝说，他们发现，两两玉米自交系间均匀只要56.3%高度类似的DNA序列。也就是说，玉米自交系间均匀有40%以上的序列是纷歧样的。

“通过遗传东西阐发表白，玉米自交系间存在着普遍的遗传变异。”王海洋说，那些玉米自交系不单遗传差别明显，外表看起来也大相径庭。

进一步研究发现，玉米杂种优势与双亲基因组间构造变异的数量呈显著正相关，与双亲基因组间共线性水平呈显著负相关。那申明玉米杂种优势与双亲在全基因组程度的遗传互补性亲近相关，为杂种优势的遗传互补模子供给了强有力的支持。

“也就是说，玉米基因组间类似性越高，杂种优势越小，而大片段DNA序列差别（构造变异）越多，杂种优势越强。”王宝宝解释说，大片段DNA序列差别一般是指某个大的DNA片段在一个自交系中有，在另一个自交系中没有，或以别的的序列形式存在，或发作了倒置及位置变革。

具有那类差别的两个自交系杂交后就产生了互补性。“我们发现，两两自交系基因组间大片段DNA序列互补越多，产生的F1杂交种的杂种优势就越强。因而，双亲在全基因组程度的遗传互补性可能是玉米杂种优势构成的最重要原因。”王宝宝说。

王海洋暗示，那项工做第一次从基因组程度上为遗传互补性招致玉米杂种优势的假说供给了强有力的证据。

初次找到玉米的杂种优势基因

“除了全基因组程度上的互补性外，我们还很幸运地找到了两个显性超亲玉米杂种优势位点。”王宝宝说，显性超亲杂种优势位点是指基因组中某个位点的杂合基因型会对某种性状产生优于双亲的效应。那也是学术界流行的一种杂种优势机理假说。

颠末大量工做，连系遗传和分子生物学证据，他们发掘到ZmACO2和ZAR1两个关键的产量杂种优势基因，并证明杂交种中那两个位点差别的基因型组合能产生优于双亲纯合基因型表示的杂种优势效应。

因为玉米群体间差别较大，两两基因组间有上百万个纷歧样的位点。要在那么庞大的差别位点中找到某一个点，证明它产生的杂种优势更强、更凸起，是一个很大的挑战。

那项工做为玉米杂种优势的单元点超显性效应假说供给了明白的分子和遗传数据撑持，初次证了然遗传互补性和特殊位点的超显性效应都对玉米杂种优势产生了奉献。“那种杂种优势关键位点也是育种科学家所寻找和逃求的。”赵久然说。

王海洋认为，该研究组拆的核心自交系完好基因组将大大推进世界范畴内玉米功用基因组研究。赵久然指出，操纵那项功效指点玉米亲本选育，能够找到更多具有强杂种优势的组合。

论文配合通信做者、中国农业大学传授赖锦盛告诉《中国科学报》，那项工做对玉米泛基因组停止了比力好的解析，必然水平上为杂种优势机理供给了基因组学维度的一个解释。全面解析杂种优势机理还有很长的路要走，仍面对很大挑战。

王海洋强调，做物的优良性状是多基因聚合的成果，“我们不成能把每个基因都搞清晰后再去聚合育种。未来我们想做的工做就是，从全基因组层面解释基因的聚合效应，开发数字化育种手艺指点强优势玉米杂交种培育”。（李晨）

来源： 中国科学报