2024年8月，德国波恩大学的Frank Hochholdinger等人在Trends in Plant Science发表了题为Molecular concepts to explain heterosis in crops的文章，该研究以玉米为例详细阐述了作物杂种优势的具体表现，旨在分子范畴内解析作物的杂种优势。
doi : 10.1016/j.tplants.2024.07.018
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杂交植物比其遗传上双亲表现出更优越表型的现象被称为作物杂种优势(heterosis)。
与杂种优势相关的分子机制
表观遗传修饰基因组结构基因表达调控特定蛋白修饰代谢物微生物组02
该研究通过比较不同作物品种的基因组结构，研究了基因组变异与杂种优势之间的关系。利用转录组、蛋白质组和代谢组分析，探讨了杂交种与其亲本之间的基因表达差异，其中转录组分析揭示基因表达差异，蛋白质组分析关联基因表达与生物学功能，代谢组分析反映细胞代谢状态。
图1.杂交品种的引入时间表和解释杂种优势的经典遗传假说
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研究发现，玉米的各个发育阶段都有观察到杂种优势现象，在成熟期的产量相关性状尤为明显。这种现象与亲本间广泛的基因组结构变异、转录组中的单亲表达模式、以及蛋白质和代谢物水平上的非加性调节有关。该研究还发现玉米杂交种的根际和叶际微生物组成与亲本存在差异，且这些微生物组与杂交种的杂种优势性状有关。
图2.发育过程中观察到不同性状的杂种优势(以玉米为例)
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该研究认为单个基因的超显性(overdominance)也是作物杂种优势的影响因素之一，超显性现象基于杂合等位基因间的相互作用，使得杂合子的表现优于亲本中的纯合等位基因。例如番茄中SINGLE FLOWER TRUSS(SFT)基因的杂合性能够在不同环境中显著提高产量，这是通过增加花朵和果实数量而非果实大小实现的。
图3.与杂种优势相关的遗传分子机制
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该研究还发现一些基因在杂合状态下相比纯合状态能更好地促进杂种优势性状的表现，基因的不完全显性在一定程度上统一了互补作用和基因剂量(在生物学上是指一个个体细胞内特定基因的拷贝数)对杂种优势的影响。基因剂量平衡假说(Gene Balance Hypothesis)提出杂交种可能具有更优的基因剂量平衡，有助于控制细胞内对剂量敏感的成分。
图4.单亲本表达(SPE)互补
该研究通过比较不同基因型间的基因组结构变异、基因表达互补等方面差异解析了作物杂种优势的分子机制，强调了作物杂种优势的重要性，为未来利用杂种优势提高农业生产力和更可持续的农业铺平道路。
doi :10.1016/j.tplants.2024.07.018
