“其貌不揚的雙親，生出了才貌雙全的后代?！边@究竟是怎么一回事兒？還真不是開玩笑，這看似逆天的操作，就出現在農業(yè)專家的育種過程中，它就是——雜種優(yōu)勢。

后代為何會出現比雙親更優(yōu)秀的性狀？

百余年來，遺傳學家們苦苦尋求其背后的遺傳學機理，尋找能讓后代比雙親更“杰出”的基因位點，卻難以揭開其神秘的面紗。近日，中國農業(yè)科學院生物技術研究所玉米功能基因組創(chuàng)新團隊與華南農業(yè)大學等單位的科學家們在構建玉米核心自交系泛基因組、解析玉米雜種優(yōu)勢形成機理方面取得重要進展。今天，我們就來聊聊雜種優(yōu)勢。

用世界上7%的耕地養(yǎng)活了世界上20%的人口，中國糧食生產力的提升，離不開農業(yè)的發(fā)展；農業(yè)發(fā)展離不開豐富的種質資源。

近年來，隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化加快，氣候環(huán)境變化以及農業(yè)種養(yǎng)方式的轉變，農業(yè)種質資源數量和分布區(qū)域也發(fā)生了很大變化，一些農業(yè)種質資源存在退化甚至消失的風險。而農業(yè)育種卻是一個艱辛而漫長的過程，從優(yōu)系篩選到推廣利用，整個育種過程一般要花上十年的時間，有的甚至更長。依靠作物的雜種優(yōu)勢，可以打破育種難、育種慢的局面嗎？

公元5世紀，北魏農學家賈思勰所著的《齊民要術》中有這樣一段描述：馬和驢雜交產生的騾子具有更好的耐力和抗病力。

明代宋應星在其著名的科學著作《天工開物》中指出，雜交產生的家蠶生命力更強，蠶絲光澤度以及柔韌性都更好。

這兩段記載，指的都是雜種優(yōu)勢：遺傳基礎不同的兩個親本在雜交以后所產生的雜種第一代(f1代)，在一種或多種性狀上優(yōu)于兩個親本的現象。

玉米是全球最大的糧食和飼料作物之一，全球年產量超過10億噸。同時，玉米也是世界上利用雜種優(yōu)勢最為徹底的作物之一。玉米的雜交種在生長勢、抗逆性以及產量等有利性狀上均有優(yōu)于其親本和后代的現象，目前97%以上的玉米品種都是基于雜種優(yōu)勢的雜交種。

雜交種的選育已經成為玉米種業(yè)激烈競爭的核心。不同種質材料雜交組合的雜種優(yōu)勢存在很大差異，由于缺乏完整基因組信息，長期以來，玉米雜種優(yōu)勢形成的機理一直未能闡述清楚。導致雜交種的選育工作一部分依賴于經驗，另一部分則是通過極大規(guī)模的雜交實驗來篩選出強優(yōu)勢組合。

一個一個植株測配，再去測試雜交種的性狀，這個過程耗費了專家大量的精力和時間。在人工成本、經費投入和土地面積等要素的限制下，一個優(yōu)良玉米雜交品種的選育往往需耗時數年，甚至十年以上。因此，闡明雜種優(yōu)勢的形成機理，對縮短育種周期，提高育種效率，獲得突破性新品種有著至關重要的作用。

“假如事先知道哪兩株親本雜交可以產生很強的雜種優(yōu)勢，就不用做那么大規(guī)模、高成本的雜交配種?！敝袊r業(yè)科學院生物技術研究所研究員王寶寶在接受《中國科學報》采訪時說，盡管學界普遍認為玉米雜種優(yōu)勢與雙親的遺傳差異相關，但是因為不同類群的玉米自交系遺傳差異很大，傳統(tǒng)上用一個公共的玉米材料作為參考基因組進行遺傳分析，往往容易漏掉許多玉米類群特異的遺傳信息。

為了解析玉米雜種優(yōu)勢的形成機理，專家團隊收集了世界范圍內，能廣泛代表所有溫帶雜種優(yōu)勢類群的12個骨干玉米自交系，通過三代測序等技術組裝了它們的高質量基因組，結合已發(fā)表的B73和Mo17基因組，對這14個自交系及其兩兩組配所得的雜交種進行比較分析，然后再通過兩兩基因組之間的比對，來挖掘自交系之間的遺傳差異。最后再通過雜交種的組配和自交系的比較，來分析雜種優(yōu)勢形成的遺傳機理。

通過基因組的比對，專家團隊發(fā)現玉米自交系之間，存在著廣泛的遺傳變異。

不比不知道，一比嚇一跳。這遺傳差異比專家預估的還要大，要知道，人和猩猩DNA差異僅為1.2%，人和小鼠的DNA差異不到10%，人和牛的DNA差異約為20%。

而玉米兩兩自交系之間，只有56.3%左右的DNA序列存在相似性。這些玉米自交系不但遺傳差異明顯，外表看起來也大相徑庭。

通過一定的遺傳工具挖掘后發(fā)現，自交系之間存在著大量的結構變異，造成DNA大片段的缺失、插入、倒位、異位等變異現象。而這種現象（結構變異）對基因的表達變化產生了重要的調控作用，而基因的表達變化會進一步影響玉米性狀的形成，而這種性狀的變化會進一步影響雜種優(yōu)勢類群的分化和性狀差異。

通過親本之間的兩兩組配，專家團隊還創(chuàng)制了一個雜交種的遺傳群體，通過比對雜交種之間的遺傳差異發(fā)現，親本之間的結構變異數量與雜種優(yōu)勢是顯著的正相關，而親本之間基因組的相似性與雜種優(yōu)勢是顯著的負相關。說明雜種優(yōu)勢可能與親本之間的基因組遺傳互補具有顯著的關系，為雜交種雜種優(yōu)勢的遺傳互補模型奠定了堅實的基礎。

簡單來說就是，玉米基因組間相似性越高，雜種優(yōu)勢越小，而大片段DNA序列差異（結構變異）越多，雜種優(yōu)勢越強。大片段DNA序列差異一般是指某個大的DNA片段在一個自交系中有，在另一個自交系中沒有，或以另外的序列形式存在，或發(fā)生了顛倒及位置變化。

具有這類差異的兩個自交系雜交后就產生了互補性。兩兩自交系基因組間大片段DNA序列互補越多，產生的F1雜交種的雜種優(yōu)勢就越強。因此，雙親在全基因組水平的遺傳互補性可能是玉米雜種優(yōu)勢形成的最重要原因。

經過大量工作，結合遺傳和分子生物學證據，專家團隊還挖掘到ZmACO2和ZAR1兩個關鍵的產量雜種優(yōu)勢基因，并證明雜交種中這兩個位點不同的基因型組合能產生優(yōu)于雙親純合基因型表現的雜種優(yōu)勢效應。

該研究所組裝的核心完整基因組，將大大促進世界范圍內玉米功能基因組學研究的推進，對雜種優(yōu)勢遺傳機理的解析也將大大促進強優(yōu)勢高產玉米雜交種的培育，為今后雜交種的培育提供強力的理論支撐。相關研究成果在線發(fā)表在國際頂尖學術期刊《自然˙遺傳學（Nature Genetics）》上。