玉米杂种优势为何如此强大？原因找到啦！

      “其貌不扬的双亲，

      生出了才貌双全的后代。”

      这究竟是怎么一回事儿？

      还真不是开玩笑，这看似逆天的操作，就出现在农业专家的育种过程中，它就是——杂种优势。

      后代为何会出现比双亲更优秀的性状？百余年来，遗传学家们苦苦寻求其背后的遗传学机理，寻找能让后代比双亲更“杰出”的基因位点，却难以揭开其神秘的面纱。

      近日，中国农业科学院生物技术研究所玉米功能基因组创新团队与华南农业大学等单位的科学家们在构建玉米核心自交系泛基因组、解析玉米杂种优势形成机理方面取得重要进展。今天，我们就来聊聊杂种优势。

      用世界上7%的耕地养活了世界上20%的人口，中国粮食生产力的提升，离不开农业的发展；农业发展离不开丰富的种质资源。

      近年来，随着工业化、城镇化加快，气候环境变化以及农业种养方式的转变，农业种质资源数量和分布区域也发生了很大变化，一些农业种质资源存在退化甚至消失的风险。而农业育种却是一个艰辛而漫长的过程，从优系筛选到推广利用，整个育种过程一般要花上十年的时间，有的甚至更长。依靠作物的杂种优势，可以打破育种难、育种慢的局面吗？

      公元5世纪，北魏农学家贾思勰所著的《齐民要术》中有这样一段描述：马和驴杂交产生的骡子具有更好的耐力和抗病力。

      明代宋应星在其著名的科学著作《天工开物》中指出，杂交产生的家蚕生命力更强，蚕丝光泽度以及柔韧性都更好。

      这两段记载，指的都是杂种优势：遗传基础不同的两个亲本在杂交以后所产生的杂种第一代(f1代)，在一种或多种性状上优于两个亲本的现象。

      玉米是全球最大的粮食和饲料作物之一，全球年产量超过10亿吨。同时，玉米也是世界上利用杂种优势最为彻底的作物之一。玉米的杂交种在生长势、抗逆性以及产量等有利性状上均有优于其亲本和后代的现象，目前97%以上的玉米品种都是基于杂种优势的杂交种。

      杂交种的选育已经成为玉米种业激烈竞争的核心。不同种质材料杂交组合的杂种优势存在很大差异，由于缺乏完整基因组信息，长期以来，玉米杂种优势形成的机理一直未能阐述清楚。导致杂交种的选育工作一部分依赖于经验，另一部分则是通过极大规模的杂交实验来筛选出强优势组合。

      一个一个植株测配，再去测试杂交种的性状，这个过程耗费了专家大量的精力和时间。在人工成本、经费投入和土地面积等要素的限制下，一个优良玉米杂交品种的选育往往需耗时数年，甚至十年以上。因此，阐明杂种优势的形成机理，对缩短育种周期，提高育种效率，获得突破性新品种有着至关重要的作用。

      “假如事先知道哪两株亲本杂交可以产生很强的杂种优势，就不用做那么大规模、高成本的杂交配种。”中国农业科学院生物技术研究所研究员王宝宝在接受《中国科学报》采访时说，尽管学界普遍认为玉米杂种优势与双亲的遗传差异相关，但是因为不同类群的玉米自交系遗传差异很大，传统上用一个公共的玉米材料作为参考基因组进行遗传分析，往往容易漏掉许多玉米类群特异的遗传信息。

      为了解析玉米杂种优势的形成机理，专家团队收集了世界范围内，能广泛代表所有温带杂种优势类群的12个骨干玉米自交系，通过三代测序等技术组装了它们的高质量基因组，结合已发表的B73和Mo17基因组，对这14个自交系及其两两组配所得的杂交种进行比较分析，然后再通过两两基因组之间的比对，来挖掘自交系之间的遗传差异。最后再通过杂交种的组配和自交系的比较，来分析杂种优势形成的遗传机理。

      通过基因组的比对，专家团队发现玉米自交系之间，存在着广泛的遗传变异。

      不比不知道，一比吓一跳。这遗传差异比专家预估的还要大，要知道，人和猩猩DNA差异仅为1.2%，人和小鼠的DNA差异不到10%，人和牛的DNA差异约为20%。

      而玉米两两自交系之间，只有56.3%左右的DNA序列存在相似性。这些玉米自交系不但遗传差异明显，外表看起来也大相径庭。

      通过一定的遗传工具挖掘后发现，自交系之间存在着大量的结构变异，造成DNA大片段的缺失、插入、倒位、异位等变异现象。而这种现象（结构变异）对基因的表达变化产生了重要的调控作用，而基因的表达变化会进一步影响玉米性状的形成，而这种性状的变化会进一步影响杂种优势类群的分化和性状差异。

      通过亲本之间的两两组配，专家团队还创制了一个杂交种的遗传群体，通过比对杂交种之间的遗传差异发现，亲本之间的结构变异数量与杂种优势是显著的正相关，而亲本之间基因组的相似性与杂种优势是显著的负相关。说明杂种优势可能与亲本之间的基因组遗传互补具有显著的关系，为杂交种杂种优势的遗传互补模型奠定了坚实的基础。

      简单来说就是，玉米基因组间相似性越高，杂种优势越小，而大片段DNA序列差异（结构变异）越多，杂种优势越强。大片段DNA序列差异一般是指某个大的DNA片段在一个自交系中有，在另一个自交系中没有，或以另外的序列形式存在，或发生了颠倒及位置变化。

      具有这类差异的两个自交系杂交后就产生了互补性。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。因此，双亲在全基因组水平的遗传互补性可能是玉米杂种优势形成的最重要原因。

      经过大量工作，结合遗传和分子生物学证据，专家团队还挖掘到ZmACO2和ZAR1两个关键的产量杂种优势基因，并证明杂交种中这两个位点不同的基因型组合能产生优于双亲纯合基因型表现的杂种优势效应。

      该研究所组装的核心完整基因组，将大大促进世界范围内玉米功能基因组学研究的推进，对杂种优势遗传机理的解析也将大大促进强优势高产玉米杂交种的培育，为今后杂交种的培育提供强力的理论支撑。

      相关研究成果在线发表在国际顶尖学术期刊《自然˙遗传学（Nature Genetics）》上。