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生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2006年增刊
玉米杂种优势分子基础研究进展
祝静静 靳亮 李新征 彭卫东 王泽立
(山东农业大学生命科学学院,泰安 271018)
摘 要: 当今作物改良中杂种优势的广泛应用得益于杂交玉米的首先培育成功, 对其分子基础的探讨已历
经近一个世纪却尚未达成共识。关于杂种优势的经典解释曾聚焦于显性和超显性假说, 现在看来似乎是借喻遗传
学分子概念而无实际分子基础的实用性概念,籍此导致了一些研究结果的不一致是可以理解的。随着基因组时代
的到来和相关分子技术的出现, 文章回顾了过去的研究结果, 分析了杂种优势分子机制研究的现状和问题, 针对两
亲本及其后代杂交后基因组构架和基因表达变化的研究趋势及方向进行了评价, 并提出了由此资讯引发的 SNPs
单倍型用于玉米杂种优势分子基础研究的新策略。
关键词: 玉米 杂种优势 分子基础 单核苷酸多态性 单倍型
In Search of theMolecular Basis ofH eterosis inM aize
Zhu Jing jing Jin Liang L iX inzheng PengW e idong W ang Ze li
(C orn G enetics& B reeding Lab, Shandong Agr icultural University, Taian 271018)
Abstrac:t The w idespread use of hetero sis in crop im provement today must be credited to the Success o f hybrid
m a ize first. Them a ize mo lecu la r basis has been discussed for nearly a century, but little consensus has em e rged. The clas-
s ic quantitative gene tic explanation of he tero sis center on tw o m a in hypotheses, the dom inance and overdom inance. A -l
though these hypo thesew ere co ined be fo re the m o lecular concepts of g enetics w ere fo rmu la ted and are no t connected w ith
m olecu lar pr inciples. Therefore, they are of d im inished utility for descr ib ing the mo lecu lar pa rame ters that accom pany he-t
e rosis, w ith the advent of the genom ic era, the too ls to study am olecu lar bas is for heterosis are at hand. Based on the retro-
spect o f the past stud ies, the paper presented here analyzes some current sta tus and prob lem s o f the mo lecu lar m echan ism
for he teros is, rev iew s the genom ic arch itecture of genes and genes expression w ithin tw o parents and their rec iprocal hy-
br ids. The trends and directions of studies are put fo rw ard. The inform ation w ill help to deve lop new stra teg ies for haplotype
analysis o f sing le nuc leo tide po lymo rph ism s in m a ize.
Key words: M aize H eterosis M olecular basis S ing le nuc leotide po lym orph ism s H ap lo type
基金项目:国家十五科技攻关 ( 2001BA 510B09)
通讯作者:王泽立 ( 1957-) ,男,博士,山东农业大学生命科学学院教授
1 杂种优势的经验理解与研究现状
世界范围内玉米种植面积和总产稍低于水稻和
小麦, 居第三位。在我国, 玉米总产居第二位。玉米
被誉为世界上最重要的农作物是因为可加工性而形
成多元产品总量和潜力是任何一种农作物不能替代
的。特别是用于畜牧业、工业、软饮料、胶粘剂、燃料
等产品的不断研发, 使玉米在国民经济中呈现愈来
愈重要的价值。在考察玉米优势地位现象时不难看
出,玉米价值优势彰显于它的杂种优势 (H eterosis,
or hybrid v igor)。迄今为止,玉米是利用杂种优势最
早且最成功的作物 [ 4 ~ 7, 12, 16, 28]。遗憾的是, 一个世纪
以来人们对玉米杂种优势形成的分子基础仍未有效
地认知,甚或达成很少共识 [ 5, 11, 26, 29, 30, 31, 42]。所以对
其分子基础研究历来是个争议的课题。
对作为生物学特质而言, 作物杂种优势现象存
在是不争的事实。除了上述研究外,一些国内外学
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者在苜蓿、水稻、油菜、棉花、木薯和油葵等作物上也
进行了积极地探索 [ 3, 10, 21, 39, 42~ 44]。这些作物杂种优
势分子基础的研究进展与玉米相比也难分仲伯,研
究内容主要集中在对杂种优势形成机理已有假说的
验证和评价上,即对显性、超显性和上位性假说的合
理性予以论证。
事实上,显性和超显性假说提出伊始并没有与
现代分子生物学概念相关连。所谓 /在杂种中显性
有利基因位点对有害基因位点的屏蔽或者补充 0名
曰显性假说; 超显性假说即 /等位基因互作引起的
杂合对纯合的超显性0;籍此从真正意义上讲,这些
假说虽然与杂种优势现象相伴而生, 却是一种借喻
分子参量却无实际分子基础的实用性概念。嗣后,
由此引发的许多研究结果在分子水平上不一致也是
可以理解的。另有文献曾报道过网络化、甲基化、酶
学和代谢等原因,以解释杂种优势分子基础,但基本
情形变化不大。可能由于实验设计、选材和分析方
法不同,实验结果也不尽一致。
鉴于玉米基因组庞大, 约 2. 5亿个碱基, 4 ~ 5
倍于水稻基因组,甲基化和重复序列在 80%以上,
编码基因仅占 10% ~ 20% ,不但有常、异两类染色
质区存在,而且有基因富集区、转座系统和低丰度序
列之别等等。因此, 目前玉米基因组测序尚未大规
模进行。所以,在分子生物技术平台搭建和可资利
用的生物学知识不足的情况下, 玉米杂种优势分子
基础研究仍将是棘手的问题。
2 杂种优势分子基础的新共识
从基因组研究角度看来,两两亲本杂交产生杂
交种的过程,实质上是两亲本配子基因组有机结合
后杂合子基因组一系列变化的过程。就本质而言,
这种变化应包括两个基本范畴:其一是杂交种 2. 5
亿个碱基在基因组空间构架上的变化。其二则是亲
本及其杂交种相关结构基因、调控基因和特异蛋白
表达的变化。这两种变化自然决定了杂种优势现代
分子基础研究的理论思考和前沿主流。
迄今为止,关于基因在杂交种基因组构架中变
化的最新研究主要涵盖了以下三个方面:
2. 1 片段缺失、重排、倒位和转录因子造成不同序
列间隔区
人类基因组的研究曾表明 [ 24, 27 ]主要是指在基
因组水平上由单个核苷酸的变异所引起的 DNA序
列多态性。显然,一个基因内存在多个 SNPs位点,
这种对不同 SNPs位点进行整体研究, 即可构成对
SNPs单倍型的研究。目前各种 SNPs的检测方法亦
有很大区别, 并且由此推知, SNPs遗传标记可达
1142亿左右的位点,目前美国 Perlegen公司的研究
人员已鉴别出 158个 SNP 位点 ( 2005. 2. 18 Sc-i
ence)。如果 10Kb范围内的位点几乎不发生交换
(交换概率 < 0. 01% ), 那么这一范围内 3 ~ 4个
SNPs多态位点连锁所构成的单倍型 ( haplotype)同
样作为一个整体标记去看待。同理,有人在研究了
玉米基因组 DNA 序列中 Z ein 基因家族后发
现 [ 13, 29~ 31] ,玉米进化了 1万年以上, 它们的基因组
区段歧化为不同的 SNPs单倍型后, 并不影响该种
的基因共线性。但是,现代 43个商用玉米自交系的
基因序列对比分析表明, 它们的直向同源进化区段
却存在着序列长度和顺序的差别。这种差别涉及到
几个包括 Z ein基因在内的其它基因。他们同时指
出,此现象在水稻亚种间并不存在。结合基因表达
分析后,他们指出这些差别造成的区段重排和序列
变化在相关转录因子的提升下, 将以非线性 /二进
制0方式参与基因表达。如此 /超显性0可谓杂种优
势之分子基础。
Jung, M, 等人 [ 20]用 Adh1等位基因的扩增子,
在 B73 @M017玉米群体和两组玉米优势自交系群
中鉴别 SNPs单倍型的遗传不平衡和序列多样性发
现, A dh1基因邻区的 SNP世代间存在降低重组率的
趋势; Lopez, C, 等人 [ 10]以 SNP为分子标记, 研究了
若干木薯品种后代的基因组序列, 在相关基因的
111个跨叠克隆群种找到了 186个 SNP。其中 136
个来自 EST, 50个来自 BAC文库的末端分析, 这些
SNP平均分布在 62pb的序列中。他们认为这些数
据为 EST定位,特别是与各品种优势表现型直接相
关的基因分析提供了新的策略。
2. 2 序列重排缺失造成不同玉米序列及两翼 SNP
不同
有的玉米自交系间全部序列两翼的 2 773个碱
基完全不同。有的自交系某基因序列不同是某位点
上游 7. 3kb序列的插入和某位点下游含有的基因中
14kb序列缺失造成的 [ 37] ; 已有人报道了序列重排
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或缺失而使某些基因的含量和尺度大小发生变化的
情况 [ 13, 19, 29, 30, 37 ]。其中有人在对照水稻的序列分析
结果显示,两水稻亚种间 U 50kb的序列 (位于 11号
染色体上 )可完全保存, 两品系间 > 340kb的 Adh1-
Adh 2基因片段也可完全保存 [ 29, 30, 31, 36 ]。也有人研
究了 Adh基因序列多样性的进化及其 SNP遗传不
平衡现象 [ 14]。他们认为, 不同作物亲子代间 < 1kb
序列中确有结构变异发生,而所谓的第 1、2代分子
标记技术是分辨不出来的。比如玉米亲子代间
SNPs单倍型的遗传变化不同于水稻, 前者是非保守
性的, 而后者是保守性的。
也有人对控制玉米球蛋白的基因 gib1墨西哥分蘖
玉米的 tb1基因进行了研究 [ 18, 38 ]。他们研究发现在
启动子 DNA序列中, SNP出现的频率、单倍型结构
以及遗传不平衡现象确有存在, 即在 1 000bp范围
内界定的核苷酸多样性范围值 P可达 0. 47 ~ 3. 70
变化数量级,说明了特定基因 SNP与单倍型的多态
性在发育及进化中的重要性。
亦可籍由形成基本技术路线是, 根据表现型
(产物 )以研究基因组功能的所谓正向遗传学途径,
依 SNP与单倍型覆盖的研究架构, 概述研究方案,
如图 1。
图 1 用 SNP与单倍型研究玉米杂种优势分子基础覆盖的研究架构
无疑,这个隶属 SNP之下的单倍型系统, 就是
杂种优势分子尝试提出的新共识, 它必将为今后基
因构架变化与杂种优势关系的研究提供资讯。虽
然,不一定自此走上坦途, 但至少已在起步之中。
2. 3 QTLs定位及互作方式与杂种优势现象
S tuber等人的研究已涵盖了大部分数量遗传学
和分子遗传学的主要关切领域 [ 21, 33, 35, 40~ 42]。其中,
对玉米和水稻的研究分别为杂种优势分子机理提供
了证据。实验结果分别指出了显性、超显性、上位性
(包括双点 /二次 0显性互作引起的上位性杂合 )和
QTLs特殊位点下调等因素的重要性。也许是选材
和模型使用等原因, 对多基因位点及复等位基因的
剖分也存在定性或定量的差异。而且, QTLs及其在
杂种优势表现中的客观存在,使人们不得不正视所
谓主效基因、微效基因、结构基因和调节基因在基因
构架上表现程度的差异 (剂量效应 )对杂种优势影
响。同时,以有益基因的精细定位、克隆和转导为核
心的 QTLs技术在一些环节中的困难也是不言而喻
的。
目前,有关基因表达在杂种优势中的研究已多
有报道。研究范围虽然没有超出转录和翻译两个层
面,但基因表达的终产物 ) ) ) 多肽的合成结果却纷
呈变化,可概述如下三点:
2. 4 基于效量效应表达的调节基因系统影响不同
基因位点持家基因从而控制了玉米 QTLs
自从上世纪 70年代末开始,美国著名的遗传学
家 B irch ler J. M就致力于这方面的研究, 其结果得
到了许多研究者的认同 [ 9, 17, 26]。他的许多研究结
果、分析和推理将给人们许多启迪。但是正如本文
作者多次与 B irch ler教授讨论过的一样, 以调控基
因剂量效应为基础的杂种优势解析确有独到之处,
却也似乎存在两点思考, 一是选材。B irchler教授等
人研究杂种优势的试材绝大多数是利用新的细胞遗
传学技术创造的玉米多倍体和非整倍体 [ 2~ 7] , 此类
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生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2006年增刊
试材与 2倍体商用玉米相比有特点和优势, 但其稳
定性和重复性是可想而知的。 B irch ler教授本人也
在近期论文中坦言 [ 5] , 多倍体和非整倍体是实验室
的暂时产物,为建立杂种优势的研究模式,今后应注
重基因组如何互作以产生表现型, 并使其益于农业
和生物技术发展。二是产生剂量效应的调控基因在
所谓 /阶层系统 ( h ierarchies) 0中如何精确量化是个
棘手的问题。 Song R, Hamerley B和 Brian P等
人 [ 9, 17, 29, 30, 31]在此提出 /二进制 ( binary) 0系统等位
基因剂量效应增减 /翻番 0的概念以及对整个目标
基因表达发生调控时, 也未能就此现象做进一步的
阐释。
2. 5 特定数量基因表达对杂种优势的影响
目前已提交 G enB ank ESTs超过 32 000个, 但
克隆的玉米基因不足 200个 ( 45th ma ize genet ic con-
ference abstrac,t 2005 )。因此, 在如何利用现已克
隆基因资源及其相关资讯方面, 美国人已组织 120
位研究者开展协作, 已寻求对玉米基因组的深入研
究,并进一步探讨杂种优势分子基础。有研究表明,
玉米籽粒细胞壁的发育不仅与蔗糖合成基因 Sh和
Sus基因家族有关, 而且与同一个基因家庭的另一
新基因 Su3表达强弱有关 [ 34]。这类 Susy基因家族
在高等植物的起源及进化中有着重要的作用。An-
gerD L和M eiGuo等人 [ 2, 26]同样利用已克隆的几十
个玉米基因在多倍体和非整倍体中的表达强度以研
究杂种优势的分子基础, 得出了与 B irchler教授基
本相同的剂量效应结果。Ke lly P[ 23]则利用黄色胚
乳基因 Y1,分析了周边低拷贝区域 ( 1. 2M b)序列的
多样性和遗传不平衡对基因表达的影响, 以辨明选
择偏离 (高于或低于从其距离估测值 )对多样性和
表现型的分子及群体影响。王泽立等人 [ 43~ 47]则利
用著名中国的商用玉米构建近等基因系及其杂交
种,研究了已克隆基因的表达广泛性和强度的变化,
以探索玉米杂种优势的分子基础。
2. 6 基因芯片技术为杂种优势分子研究提供了新
手段
从本世纪初开始, 该技术已用于玉米杂种优势
的探索 [ 22, 49 ]。其中, cDNA的图谱表达为研究提供
了新的技术平台。MeiGuo和 M ary R等人用 15个
已知基因的表达研究发现有 14个基因在不同杂交
种和环境中表达不同, 而且双位点等位基因比单位
点等位基因表达对形成杂种优势的效果更明显 [ 26]。
据此可以推知,对于 QTLs来说, 等位基因表达是众
多位点基因调控区序列的多态性造成的。但是, 基
因芯片作为一种大通量、平行化的基因表达分析技
术除了它的先进性外,实验成本和技术本身在 /硬、
软0件改进方面也是不可忽视的领域 [ 5, 49]。
在纵观基因构架和基因表达两个方面对杂种优
势分子基础研究的同时也注意到,有人曾将分子标
记技术与差异显示技术结合 [ 50 ]或使用其中一种 [ 51]
的研究报道,以逐步解答杂种优势分子机理这一难
题。正如研究者对差异显示量化和技术本身讨论的
一样,不同自交系亲本的 P1、P2和 F1三种试材反映
的还应是更多的基因差异表达类型。
最后,一种值得提及的研究现象是,在研究分子
基础时往往将杂种优势现象与自交衰退现象相提并
论,似乎对杂种优势的研究提供了另一条可以替代
的途径。可是值得商榷的是, 虽然有的多倍体植物
实验表明,自交可使后代相同的等位基因杂合位点
数减少,纯合的基因位点增加,杂种优势衰退现象严
重 [ 3, 25] ,但实践告诉我们,玉米中一些连续自交繁殖
的自交系和综合种的杂种优势 (产量、抗性等 )并不
亚于某些杂交种; 有些常规水稻品种, 如 /超级稻 0
等也非杂交稻。因此,笔者认为,自交衰退中的基因
流动是单向的,多数是不可逆的。就基因序列差异
百分率的变化、变异与基因表达互作的现象来说,杂
种优势则是双向的基因流动, 多数是可逆的。因此,
至少在目前研究中不宜舍本逐末 [ 45]。
参 考 文 献
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