玉米基因差异表达与杂种优势的关系研究进展

玉米基因差异表达与杂种优势的关系研究进展 黄广平 (河南农业大学农学院,郑州,450002) 摘要： 关键词： 英文摘要： 英文关键词： 杂种优势是指两个遗传组成不同的亲本杂交产生的 F1 比双亲具有较强的生活力、生长势、 适应性、抗逆性和丰产性等表现的现象 1。从基因组组成上看，杂交种所有基因在双亲中 都是存在的，杂种优势产生的根本原因在于基因的表达和调控。玉米是利用杂种优势最早 且最成功的作物(25)。Romagnoli 等 6 首先研究了基因表达与玉米杂种优势的关系，得 到杂种优势的产生与杂交种中许多基因的差异表达有关的结论。随着分子生物学进入功能 基因组时代，玉米基因组草图的顺利完成，从基因表达、调控和功能水平上研究玉米的杂 种优势将成为玉米遗传育种的重要方向。杂种优势是生物体的整体表现，不是某一性状的 单独表现。从基因组到外部表现,必须经过 DNAmRNA蛋白质的基因作用途经最终对 性状表达起作用，在这一过程中基因表达和调控起了重要作用.7 笔者试图从基因差异表达 研究和遗传群体两个方面对杂种优势的机理作出探讨。 一 基因差异表达与杂种优势 基因型的杂合性即异质化是杂种优势表达的基础。大量研究证明：存在杂种优势的杂交种 所有基因均来源于 2 个杂交亲本，杂交基因组中并没有产生新的基因，但杂交种与亲本相 比，在生活力、抗性以及产量、品质等方面明显优越。因此，杂种在性状上不同于亲本的 变化应该是在基因表达上存在差异。 Dameral 等 8 对玉米亲本和杂交种蛋白质数量多态性（PAP）分析表明，蛋白质在表达种 类上的差异与杂种优势不相关，但蛋白质在表达数量上的差异与杂种优势显著相关，因而 推测杂种优势的差异主要与基因表达的调控过程有关。Leonardi 等 9 推断相对少量的调节 基因的表达与杂种优势的形成有关。 Tsaftaris 等（1993）10 研究了 2 个玉米杂交种（1 个强优势组合 HHF1 和 1 个弱优势组 合 LHF1）及其 3 个亲本之间的基因差异表达情况。结果表明，有 35 个基因的 mRNA 含 量平均值在 HHF1 中高于亲本,也高于 LHF1。在 HHF1 中超亲表达的基因数目也明显多于 LHF1。在所测定的第一、第三时期，HHF1 中超亲表达的基因数分别为 30%和 63%；而 在 LHF1 中公分别为 15%和 57%，在 LHF1 中有 28%的基因表达弱于低效表达的亲本。 Yang 等（1996）11 用 mRNA 差异显示法，分析了玉米亲本及杂交种基因的差异表达。 结果表明，亲本与杂交种的基因表达的差异的主要类型有特异表达、超亲表达、减弱表达 和沉默表达（包括双亲沉默表达和单亲沉默表达） 。从凝胶上回收 cDNA 作为探针与总 DNA 限制酶片断杂交，发现大多数的 mRNA 带在亲本中为单拷贝，且双亲的带型一致。 这说明 F1 代同亲本基因表达产物的差异主要在转录水平，原因可能在于等位基因调控区 的结构不同，也可能是不同基因转录装置的工作效率存在差异。 程宁辉、杨金水（1996）12-13 等以玉米和水稻为研究材料，用差异显示法研究玉米和水 稻幼苗期父母本与杂种间的基因表达时发现，等位基因调控序列确实发生了明确的改变。 张启发等分析了各类带型与株高、生物量、产量和 3 个构成因素等性状的表现与杂种优势 的相关性,发现各类特异性表达与杂种表现相关程度较低。2 类特异表达与杂种优势的关系 密切:UNF1 与所有性状的杂种优势均呈显著或极显著的负相关;而 UNP 则与杂种优势呈正 相关,其中株高、生物量和粒重的相关性达显著或极显著水平。倪中福等（1999）14 利用 mRNA 差异显示方法分析了杂种和亲本幼苗叶片茵表达差异。结果表明，杂种与双亲间基 因表达存在数量和质量水平的差异，但以量的差异为主。孟凡荣等(2002)采用 mRNA 差异 显示技术分析 MADS-bx 和 Ser/Thr 蛋白激酶两个基因家族在不同优势组合的杂交和自交 种子发育前期和基因表达差异,发现所有 6 个时期杂交和自交种子之间存在明显的基因表达 差异,强优势组登差异表达比例较弱优势组合高。 田曾元等（2003）15 对玉米穗分化期的功能叶基因的差异显示研究表明，单亲沉默表达 型与株高呈显著相关。王泽立等（2004）16 以自发突变体产生的籽粒大小和穗位叶片不 同的 3 对近等基因系及其杂交种为材料，研究了 6 个基因在其叶片组织中的表达情况，以 评价这些基因在杂种优势形成中可否作为“限率性基因”模式存在。结果表明，有些基因通 过增强或减弱表达在杂种优势中起一定作用。 Jinjun wang 等（2006）17 利用 12 个玉米自交系及其按不完全双列杂交组配的 33 个杂交 种为材料，分 4 个不同时期取杂交种及其亲本的雌穗组织，利用差异显示技术，分析杂种 与亲本的基因差异表达类型及其 7 个主要农艺性状的杂种表现和杂种优势的相关关系。发 现在 5 种表达类型中单态表达（基因在杂交种和双亲中同时表达的类型）的数量最大，这 说明杂种优势的形成不仅与基因的表达与否相关，还与大量基因的上调或下调表达相关。 雷海英等（2007）18 选用 8 个玉米自交系和它们的 5 个杂交种，采用 mRNA 差异显示技 术分析了杂种和亲本之间抽穗期叶片的基因表达差异模式。在所找到的基因差异表达的类 型中，双亲表达沉默型所占的比例比较大为 11.79%. 杂交种相对于亲本而言，基因表达存在质的差异，如特异表达，沉默表达，显性表达等， 还存在量的差异，如超亲表达，减弱表达，趋强亲表达，趋弱亲表达等类型。正是这些基 因表达的变化导致表型的变化，引起杂种优势现象。 在 mRNA 表达水平上，就是要寻找控制重要农艺性状杂种优势相关的 EST（EST 数据库 将是发现表达基因，进行种间序列比较和基因表达分析等最有价值的资源 田清震 192006） ，通过生物信息学的手段进行同源比对，推测这些表达片段可能来自的完整基因 以及这些基因所控制的生物学功能和代谢功能，从而达到深入了解杂种优势的遗传机理的 目的。 二 DNA 甲基化与杂种优势 DNA 甲基化是生物体内普遍存在的一种基因修饰现象。它是利用甲基转移酶的催化作用， 将 S-腺苷甲硫氨酸的甲基转移到 DNA 嘧啶或嘌呤环特定位置的生化过程。研究发现， DNA 甲基化、去甲基化作用与基因表达调节密切相关，关于 DNA 甲基化调控基因转录的 分子机制主要有两种可能：一是甲基化直接干扰了转录因子与启动子的结合；二是甲基化 的 DNA 上特异结合了甲基结合蛋白（MBD） ，进而召募了转录抑制复合体（包括其抑制因 子及组蛋白脱乙酰基酶等因子）诱发了组蛋白的脱乙酰化，导致染色体结构的变化及转录 的抑制。玉米基因组 2500Mb 中大约有 25%的胞嘧啶被甲基化 20。1975 年，McClintock 就提出 DNA 甲基化可能在杂合体形成过程中发挥作用。 Hepburn21 对 DNA 甲基化与基因抑制表达的分析认为，自交能导致甲基化程 度的逐渐积累而杂交能使甲基化程度得以解除或重新编排。 Cedar(1988)22 的研究结果表明，基因组 DNA 甲基化程度及其分布与基因组表 达率显著相关。 Tsaftaris 等(1998)23 对一个玉米杂交种及其亲本甲基化胞嘧啶(5-mC)占总胞嘧 啶(5 一 mC+C)的比例分析，发现两个亲本的胞嘧啶甲基化比例为 31.4%和 28.3%，而杂种为 274 ，基因表达活性与 DNA 甲基化存在显著负相关(r= -0739)。由此认为杂交种 DNA 甲基化降低与基因表达增强有关，与杂种优 势表达有关。以后又对玉米自交系、改良系和杂交种的基因组 DNA 甲基化程 度及分布与基因表达的关系进行分析表明，杂交种的 DNA 甲基化程度低于自 交系和改良系。Xiong24 的研究结论与 Tsaftaris 恰恰相反，这说明在杂种优势 产生过程中，并不仅仅是一些基因表达增强是有利的，而同时某些基因受到抑 制也是有利的。杂交种与亲本间不同的 DNA 甲基化模式可能是杂种优势表达 的一个原因。 基因组 DNA 甲基化对基因表达起着重要的调控作用，仪志本等（2005）25-26 采用 MSAP 法对 2 个玉米杂交组合和 3 个高梁杂交组合的研究发现，杂交种 F1 的甲基化水平 低于其相应的双亲；杂交种与其相应亲本比较有 4 种类型的变化；F1 与其亲本甲基化模式 相同、去甲基化、超甲基化、次甲基化。说明 F1 基因组的杂合性与基因组 DNA 甲基化模 式的重新调整有关。DNA 甲基化是基因调控的一个组成部分，甲基化参与了基因表达的数 量调控。 三 遗传群体与杂种优势 杂种优势的利用是提高农作物及品质的一个重要途经，伴随着基因差异显示技 术的发展，许多学者利用遗传群体及其杂种中某些基因表达的广泛性和剂量效 应，以确认细胞内不同位点基因在大同小异的遗传背景下表达的情况，对杂种 优势形成的分子基础机理进行了解释。王泽立等（2004）27 采用近等基因系 （Near-isogenic Lines,NILs）在 RNA 水平上反映不同随机位点等位基因转录 积累的变化，对近等基因系及其杂交种个体千粒重和穗粒重的相关分析表明， Sus1、Sh1 和 ZmSps34-3基因在亲子代间的广泛表达潜能表明了有效基因表 达量与杂种优势的形成有着密切关系。余传元等（2005）28 利用 CSSL 群体 研究水稻籼粳亚种间产量性状的杂种优势，结果表明，有 14 个独立的染色体 区段在产量上存在显著的亚种间杂种优势。 采用次级群体（席章营 292006）研究杂种优势有其独特的优点：1“大同小异” 的遗传背景有益于最大限度地降低基因组内庞大基因数目的干扰；2 利于选择 适合的基因在 RNA 转录水平上分析表达差异；3为图位克隆与杂种优势相关 的基因提供资讯。 四 讨论与展望 杂种优势是一种普遍而又复杂的生物学现象。生物体的杂种优势表现在整个生 长发育时期，并且生物生长发育是一个动态的过程，其基因的表达与调控也处 在一个变化的过程中，这种变化势必影响到杂种优势的表现。人们应该从生物 体的局部与整体，生长发育与环境上系统地研究杂种优势的形成机理。在表达 水平上,进一步揭示基因表达与杂种优势的关系,力争回答特意表达或抑制的基因 是什么,为何影响杂种优势等问题。 研究全基因组表达模式将成为一种趋势，例如基因芯片和 SAGE 技术将成为研 究全基因组表达分析的有力手段 30。构建代换片段单一的单片段代换系，将为 其提供较高的材料平台。 今后玉米杂种优势的研究将深入到基因的克隆、QTL 精细定位、基因的表达与 调控机制、生长发育调控与环境等方面，以此来系统的揭示出其杂种优势的形 成机制。 References(参考文献参考文献) 1 James A Birchler,Donald L Auger,Nicole C Riddle,In search of the molecular basis of heterosisJ.Plant Cell,2003,15.2236-2239 2 Shull GH: Rep;1908,4:296-301 3 East E M. Heterosis Genetic,1936,21:375-397 4 Birchler J A . Plant cell,2003,15:2236-2239 5 birchler J A . Genetics,1979,12:1211-1229 6 Romagnoli S, Maddaloni M, Livini C,et al.Relationship between gene expression and hybrid vigor in primary root tips of young maize (Zea mays L) plantlets. Theor Appl Genet,1990,80:767-775 7 兰进好,张宝石,周鸿飞.作物杂种优势遗传基础研究进展.中国农学通报,2005, 第 21 卷,第 1 期:114-119 8 Danerval C, Hebert Y,de Vienne D. Is the polymorphism of protein amounts related to phenotypic variability J. Theor Apple Genet,1987,74:194- 202 9 Leonardi A,Damerval C,Hebert Y,et al. Association of PAP among maize lines with performance of hybrids J. Theor Appl Genet,1991,82:552-560 10Tsaftaris A S, Polidoros A N. Studying the expression of genes in maize parental inbreeds and their heterotic and nonheterotic hybrids A Proc Encolpia Maize and Sorghum ConferenceM. Bergamo, Italy,1993,283-292 11 Yang J S,Ninghui Cheng, Yangping Gao, et al. Molecular basis of hetrosis in hybrid maize revealed by mRNA amplification J. International Rice Research Notes,1996,21:1-12 12 程宁辉,杨金水,高燕萍,等.玉米杂种一代与亲本基因表达差异的初步研究.J. 科学通报,1996,41(5) 13 程宁辉,高燕萍,杨金水,等.水稻杂种一代与亲本幼苗基因表达差异分析.J. 生物学报,1997,39(4):379-382 14 倪中福,孙其信,吴利民,等.小麦种间与品种间杂交种及其亲本之间基因差异 表达比较研究J.农业生物技术学报.20019(4):366-370 15 16 Tian Z Y, Dai J R. Relationship between differential gene expression patterns in functional leaves of maize inbreds hybrids at spikelet differentiation stage and heterosis.遗传学报,2003,30(2):154-162 17 王泽立,王鲁昕,张永慧.玉米不同杂种优势近等基因系及其杂交种的基因表 达分析.遗传学报,2004,31(4):345-348 18 Wang X J. Cao H H, Zhang D F, et al. Relationship between differential gene expression and heterosis during ear development in maize(Zea mays L) 遗传学报, 19 雷海英,孙毅,阎敏等.玉米抽穗期亲本及其杂交种间基因差异表达与杂种优 势的关系.华北农学报,2007,22(2):29-33 20 田清震,谢传晓,李新海,等.玉米基因组学研究进展.玉米科学,2006,14(3):1- 5,9 21 Russo VEA,Martienssen RA,Riggs AD. Epigenetics mechanism of gene regulation M.NYold Spring Harbor Laboratory press,1996 22 孙其信,农作物杂种优势机理研究进展.作物杂志,1998,4:31