黃德文，戴林建，鐘 軍，戴 彬，張玉鵬

(湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，湖南長沙 410128)

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分子標記在作物雜種優(yōu)勢研究中的應用

黃德文，戴林建*，鐘 軍，戴 彬，張玉鵬

(湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，湖南長沙 410128)

摘要在介紹了雜種優(yōu)勢的顯性假說、超顯性假說、上位性假說3種遺傳機理假說的基礎上，綜述了在雜種優(yōu)勢群劃分中常用的幾種分子標記的原理、特點，并對分子標記在雜種優(yōu)勢研究中的進一步利用進行了展望。

關鍵詞雜種優(yōu)勢；機理假說；分子標記

雜種優(yōu)勢是指遺傳背景不同的2個親本雜交產(chǎn)生的F1代在生活力、生長勢、適應性、抗逆性、豐產(chǎn)性以及適應性等一個或多個方面優(yōu)于雙親的現(xiàn)象。雜種優(yōu)勢現(xiàn)象最早于18世紀中期由德國學者在煙草種間雜交時發(fā)現(xiàn)，此后在不同的動植物中陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)和利用，成為生物學界普通存在的生物學現(xiàn)象。由于其在植物增產(chǎn)提質(zhì)方面具有顯著的效果，被人們廣泛應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。自20世紀30年代美國在生產(chǎn)上率先推廣雜種玉米以來，雜種優(yōu)勢在主要農(nóng)作物和許多園藝作物的生產(chǎn)上得到廣泛應用，并取得了巨大成功，成為20世紀推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的重大技術創(chuàng)新。但由于雜種優(yōu)勢是一個復雜的數(shù)量性狀，是基因和環(huán)境的共同產(chǎn)物，導致其產(chǎn)生的遺傳機制研究在理論方面遠落后于生產(chǎn)實踐。隨著分子生物學技術的發(fā)展，Stuber等[1]，Xiao等[2]，余四斌等[3]和Li等[4]分別對玉米、水稻等植物進行了功能基因組研究，為雜種優(yōu)勢的超顯性、顯性和上位性假說提供了分子證據(jù)，推動了雜種優(yōu)勢在分子層面上的研究。雖然對雜種優(yōu)勢的各個方面進行了大量遺傳研究，但雜種優(yōu)勢的生物學機理仍闡釋不全面，因此，深入探索雜種優(yōu)勢的分子機理對于作物遺傳改良和育種實踐具有重要意義。筆者綜述了雜種優(yōu)勢的遺傳機理假說，概括了利用生物學原理劃分雜種優(yōu)勢群的方法，并對雜種優(yōu)勢的未來研究方向進行了展望。

1雜種優(yōu)勢遺傳的機理假說

1.1顯性假說顯性假說首先由Bruce[5]提出，后來Jones[6]又進一步補充為顯性連鎖基因假說，簡稱顯性假說。雜種后代由于其遺傳了親本的顯性基因和隱性基因，其顯性基因能掩蓋隱性基因的表達。而多數(shù)顯性基因有利于個體的生長發(fā)育，隱性基因不利于個體的生長發(fā)育，所以表現(xiàn)出雜種優(yōu)勢。根據(jù)此假說，雜合個體隨著自交或近交的代數(shù)增加不可避免地增加了純合個體的出現(xiàn)幾率，暴露出隱性基因所代表的有害性狀，因而造成自交衰退[7]。

顯性假說雖然在一定程度上得到了一些試驗的證據(jù)支持，但只考慮了等位基因中顯性基因的作用，沒有考慮到非等位基因的相互作用，忽略了雜種優(yōu)勢往往是由多個基因共同作用的結(jié)果，并不表現(xiàn)顯隱性關系[8]。

1.2超顯性假說 超顯性假說是Shull[9]于1908年提出。該假說認為等位基因間無顯隱性關系，雜種優(yōu)勢是雙親基因型的異質(zhì)結(jié)合，引起等位基因間互作的結(jié)果。而親本基因的異質(zhì)結(jié)合本身就是雜種優(yōu)勢產(chǎn)生的根源，2個自交系的基因型差別越明顯，雜種優(yōu)勢就越明顯。雜種的這種差異發(fā)生在同一基因位點上，同一基因位點上有許多的微效基因，它們的共同作用導致了超出顯性基因的效果[10]。

但由于此假說強調(diào)基因的雜合性和相互作用，而排斥了顯性基因在雜種優(yōu)勢中的作用以及非等位基因間的相互作用，導致了雜種優(yōu)勢利用與實踐結(jié)果不能完全吻合。

1.3上位性效應上位性是基于Wright的基因“網(wǎng)絡”結(jié)構(gòu)理論提出的，指的是非等位基因的相互作用，當2對基因在一起相互作用時，其基因型值偏離兩者相加之值。經(jīng)典遺傳學研究表明，任何一個生物體的性狀都是由許多不同基因相互作用的結(jié)果，上位性在遺傳變異中起重要作用[11]。余四斌等[3]在分析水稻產(chǎn)量的上位性效應時發(fā)現(xiàn)這種基因間的互作現(xiàn)象普遍存在于植物中，其中包括顯性基因之間，顯性基因和加性基因之間，以及加性基因之間。并且認為，上位性效應是影響產(chǎn)量性狀表現(xiàn)和雜種優(yōu)勢形成的重要遺傳基礎。

隨著人們對雜種優(yōu)勢研究的深入，在前人研究的基礎上，金鐘誠[12]、Turbin、王得元等[13]、鮑文奎[14]還提出了活性基因效應假說、遺傳平衡假說、遺傳振動合成假說以及基因網(wǎng)絡系統(tǒng)假說。

2雜種優(yōu)勢群的劃分

雜種優(yōu)勢群是指遺傳基礎和遺傳變異豐富，共祖關系密切，具有較多的有利基因和較高的一般配合力，品種性能良好的基礎群體。它們大多是通過群內(nèi)或群間自交系的雜交互滲而選育的改良系[8]。

在育種實踐中，育種工作者以雜種優(yōu)勢群為依據(jù)，選育和改良植物品種。遺傳差異較大的種群，能配制出優(yōu)勢較大的雜交種，而遺傳差異較小的品種，獲得較強優(yōu)勢組合的頻率較少。因此，可以依據(jù)強優(yōu)勢組合選配親本。尤其是在同一優(yōu)勢類群中，有計劃地對表現(xiàn)優(yōu)良的雜交親本改良創(chuàng)新，將來源于不同優(yōu)勢群的自交系，根據(jù)雜種優(yōu)勢模式進行組配，從而有效提高育種效率[15]。

雜種優(yōu)勢的傳統(tǒng)分群方法主要是通過分析植物的系譜和比較雜交后代的優(yōu)劣對親本優(yōu)勢群進行劃分。隨著現(xiàn)代生物化學技術的發(fā)展，分群方法進入量化階段，共祖系數(shù)法、表型聚類法及分子標記法等多種分群方法應運而生，目前應用最廣泛的是生化標記法和分子標記法。

2.1生化標記法 生化標記法主要指同工酶標記和貯藏蛋白標記。同工酶是由Market[16]于1975年提出，不同物種個體之間的不同基因型，由于其同工酶的種類和數(shù)量不同，則可以通過電泳出的同工酶譜差異來標記識別不同的品種和物種[17]。而同工酶差異主要是由決定酶蛋白本身的基因差異性表達造成的，它們從分子水平上反映了基因的相對差異，所以通過對其譜帶的分析能快速簡便地識別出編碼這些譜帶的基因位點和等位基因。目前利用最多的是酯酶和過氧化物酶。

貯藏蛋白可分為醇溶蛋白、谷蛋白、白蛋白和球蛋白等。目前貯藏蛋白的研究已在小麥、玉米、水稻等植物上開展，貯藏蛋白的電泳方法較多，僅小麥種子的醇溶蛋白就有20多種電泳方法。通過對電泳圖的分析，可以進行植物的品種鑒定和種子純度的檢驗，并且還能根據(jù)植物貯藏蛋白的指紋圖譜數(shù)據(jù)庫對植物進行分類[18]。

作為目前四大標記技術之一，生化標記法不僅經(jīng)濟方便，受生物生長環(huán)境影響小，數(shù)量豐富，而且有助于清楚地了解物種之間親緣關系和系統(tǒng)進化進程，對于種質(zhì)資源表型難以區(qū)分的物種鑒定提供了理論依據(jù)，能有效指導種質(zhì)資源的收集。但由于蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性差，易受鹽濃度、pH以及溫度的影響等，限制了生化標記的發(fā)展[19]。

2.2分子標記法分子標記是隨著近幾年來分子生物學的發(fā)展而逐步發(fā)展起來的新型遺傳標記技術。它以DNA或mRNA的多態(tài)性為基礎，能直接反映植物在DNA水平上的差異。相對于其他標記技術，分子標記具有明顯的優(yōu)越性：穩(wěn)定性好，直接以DNA的形式表現(xiàn)，不受生長環(huán)境的影響，在植物體內(nèi)各個組織均能檢測到；數(shù)量多，豐富的基因組變異使DNA可標記數(shù)量豐富；多態(tài)性高，自然界中存在許多變異，為DNA標記提供了豐富的遺傳材料；共顯性好，分子標記大部分表現(xiàn)為共顯性，能更好地鑒別植物基因類型[20]。

自1980年Bostein[21]最早發(fā)現(xiàn)DNA限制性片段長度多態(tài)性(RFLP)可以作為遺傳標記以及1985年PCR技術誕生至今，分子標記技術不斷發(fā)展，至今已經(jīng)形成了四大類基于DNA多態(tài)性的分子標記技術。

第一類是基于分子雜交的DNA分子標記技術，其中最具代表性的是限制性片段長度多態(tài)性分子標記(RFLP)。由于限制性內(nèi)切酶能識別DNA序列內(nèi)的突變、插入或缺失，或者染色體結(jié)構(gòu)的變化而造成的限制性片段數(shù)目和長度的變化，利用特定的限制性內(nèi)切酶切割不同個體的基因組DNA，可得到不同長短、數(shù)量、種類的DNA片段，通過與DNA標記探針雜交，放射顯影后即可得到不同的DNA限制性片段多態(tài)性圖譜[22]。其標記可覆蓋整個基因組并能穩(wěn)定地存在于生物體內(nèi)，但由于RFLP多態(tài)性偏低，技術難度大，成本高，而且需要用到放射性同位素，對人體有害，使得RFLP技術的應用存在一定的局限性。

第二類是以PCR技術為基礎的分子標記技術。PCR技術是基于堿基互補配對原則，通過重復循環(huán)變性-退火-延伸這3個過程將目的基因擴增幾百萬倍。由于其具有特異性強、靈敏度高、操作簡便、省時等特點，問世不久即成為第二代分子標記技術的核心，其中最具代表性的是隨機擴增多態(tài)性DNA(RAPD)。其基本原理是通過PCR技術非定點地擴增含10個堿基的隨機序列組成的寡核營酸引物，擴增引物經(jīng)過電泳，染色后記錄RAPD指紋圖譜，從而進行DNA多態(tài)性分析。由于RAPD擴增引物序列短，復性溫度低，導致其對反應體系的要求相對于第一代分子標記嚴格[23]。

第三類是與限制性酶切相結(jié)合的PCR標記。最具代表性的是擴增片段長度多態(tài)性分子標記(AFLP)，是由Vos等[24]建立的，其原理是利用限制性內(nèi)切酶切割含有目的片段的基因，產(chǎn)生分子量大小不同的基因片段。然后使用特定的雙鏈接頭和DNA片段，用特定的引物對模板DNA進行擴增。AFLP技術容納了RFLP和RAPD技術的優(yōu)勢，分析不受環(huán)境、季節(jié)、時間的限制，所需DNA量較少，敏捷高效，多態(tài)性高，用少量的選擇性引物即可獲得大量的多態(tài)性片段，且重復性好，結(jié)果可靠，適合大規(guī)模樣品的研究。但其對基因組和限制酶要求高，操作步驟多，技能要求和成本較高，得到的多是顯性標記，難以檢測共顯性標記，限制了AFLP技術在相關領域的應用[25]。

第四類是基于芯片技術的DNA標記。它是伴隨著人類基因組計劃而發(fā)展起來的一門高新技術，其原理是將大量的DNA探針以顯微打印的方式有序地固化于支持物表面，然后與標記的樣品雜交，通過對雜交信號的檢測分析，得到樣品的遺傳信息[26]。其中應用最多的是單核苷酸多態(tài)性(SNP)標記。由于其克服了傳統(tǒng)標記印記雜交操作復雜等缺點，被廣泛應用于生物制藥、DNA檢測、環(huán)境保護、食品監(jiān)督以及軍事等領域[27]。

3展望

雜種優(yōu)勢的形成是以基因(DNA)-基因表達(mRNA)-蛋白質(zhì)這個過程實現(xiàn)的，是一個由多種基因控制，多種效應相互影響，多因素協(xié)同作用的動態(tài)表達系統(tǒng)。所以，對于雜種優(yōu)勢的研究應從多個角度、多個層面，以動態(tài)的觀點進行研究。

就基因?qū)用娑?，雜交并沒有產(chǎn)生新的基因，不同基因的重新組合會產(chǎn)生不同的基因效應。因此，可以用多種方法對雜種優(yōu)勢的數(shù)量性狀基因座(QTL)進行精確定位分析，確定主效QTL和抑制基因，以全面了解各個基因的作用及其相互之間的效應。

就表達層面而言，不同的基因組合有不同的基因表達類型，而不同基因的表達類型導致雜種后代不同的雜種優(yōu)勢表現(xiàn)。程寧輝等[28]分析汕優(yōu)63水稻品種及其親本的基因表現(xiàn)時，發(fā)現(xiàn)基因表達有特異性表達、沉默表達、減弱表達3種類型。因此，可以通過對雜交品種進行多種基因表達類型的研究，發(fā)現(xiàn)其普遍規(guī)律性，以了解各種基因表達類型的形成機制和作用原理。

就植物個體和環(huán)境層面而言，前人的研究大多是選擇具有優(yōu)勢的雜種植株，研究其在某一時間段內(nèi)的某些特征。而雜種植株的優(yōu)勢表現(xiàn)會受到所栽培品種和栽培環(huán)境的影響，并非一直存在，可能只發(fā)生于某些特定的環(huán)境或特定時期。所以，應從一個長期的、系統(tǒng)的角度綜合研究雜種優(yōu)勢。

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Application of Molecular Marker in the Research of Crop Heterosis

HUANG De-wen, DAI Lin-jian*, ZHONG Jun et al(College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128)

AbstractThe dominance hypothesis, overdominance hypothesis and epistatic hypothesis of three genetic mechanisms of the hypothesis were introduced. Based on these, the principles and characteristics of several commonly used molecular markers were reviewed in the division of crop heterosis group. Further application of molecular marker was forecasted in the research of crop heterosis.

Key wordsHeterosis; Mechanism and hypothesis; Molecular marker

收稿日期2015-12-24

作者簡介黃德文(1992- )，男，湖南郴州人，碩士研究生，研究方向：煙草育種。*通訊作者，副教授，博士，從事煙草科學研究。

中圖分類號S 188+.1

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)02-174-03