邓兴旺实验室何光明课题组揭示生物学通路的表达互补调控植物生物量杂种优势

  杂种优势是指不同遗传背景的两个亲本杂交产生的子一代(杂交F1、杂交种)在生物量、产量等多方面表现优于双亲的现象,一些主要农作物杂交种的推广使用为世界粮食安全保障作出了重要贡献。然而,虽然经过多年的广泛研究,杂种优势产生的遗传机理、特别是分子机制迄今依然还不十分清楚,从而限制了该现象在农业生产中的深入利用。

  2021年4月13日,威尼斯人登录网址与生命科学学院邓兴旺实验室何光明课题组在《美国科学院院刊》(PNAS)上以Article的形式在线发表题为“Biological pathway expression complementation contributes to biomass heterosis in Arabidopsis ”的研究论文,揭示了生物学通路的表达互补调控拟南芥生物量杂种优势的形成。

  植物杂种优势往往最明显地表现在生长或生物量上。在植物幼苗生长阶段,地上部分生物量的杂种优势主要体现在:与亲本相比,杂交F1具有更强的生长势,生长速率更快,在相同时间内能够积累更多的生物量。课题组前期对200个拟南芥杂交组合的杂种优势进行了评测,其中Col-0 × Per-1杂交F1表现出最强的生物量杂种优势(Yang et al., 2017, PNAS)。为了深入解析该杂交组合杂种优势形成的分子机制,本研究对该杂交组合的杂交F1及其亲本进行了幼苗发育过程中高分辨率时序动态生长表型及转录组图谱的测定和整合分析。通过加权基因共表达网络分析(WGCNA)发现,虽然亲本和F1之间基因调控网络总体相对保守,但核心调控网络却表现出明显差异。值得注意的是,网络核心基因所富集到的两个生物学通路(细胞周期和光合作用)在两个亲本之间呈现相反的表达模式,即细胞周期通路的核心基因在一个亲本Col-0中表达水平较高,而光合作用通路的核心基因则在另一个亲本Per-1中表达水平较高。令人感兴趣的是,在幼苗发育过程中,这两个通路的核心基因在杂交F1中表现为时空上显性互补的高亲表达模式。该结果暗示,杂交子一代可通过整合两个亲本分别在细胞分裂和光合作用这两个对植物生长发育至关重要的生物学通路活力上的优势从而获得强于两个亲本的生长优势。该发现对农作物杂交育种具有指导性意义。

光合作用和细胞周期通路关键基因的高亲显性表达互补调控幼苗生长杂种优势

  

  该研究在威尼斯人登录网址与生命科学学院完成,威尼斯人平台博士生刘文文为论文第一作者,邓兴旺教授和何光明副研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室以及北大-清华生命科学联合中心的资助。

  原文链接:https://www.pnas.org/content/118/16/e2023278118