林木杂种优势研究的回顾与展望

林木杂种优势研究的回顾与展望

不同的优良品种指由两个遗传因素组成的不同亲生性混合。当活性物质p1时，它们比亲生性好，产量和品质。这一表述是在Shull的最初定义的基础上发展而来的。杂种优势可分为中亲优势和超亲优势。中亲优势指子代超过双亲的平均值,超亲优势指子代超越任一亲本的最高特征值。杂种优势在生物界普遍存在,林木的杂种优势利用在杨树、松树、落叶松等树种中取得了不少成功的例子。例如,在针叶树种间杂交这一领域,叶培忠等从1961年起用油松和南方松各派做了30个杂交组合,在黑松(PinusthunbergiiParl.)×长叶松、黑松×云南松(P.yunnanensisFranch)、刚松(P.rigidaMiller)×火炬松(P.taedaL.)等杂种苗中获得显著的杂种优势。在杨树杂交育种中表现出较强杂种优势的有毛果杨(Populustrichocarpa)×美洲黑杨(P.deltoides)、美洲黑杨×欧洲黑杨(P.nigra)、美洲山杨(P.tremuloidesMichx.)×欧洲山杨(P.tremulaL.)以及美洲黑杨×美洲黑杨。杨树因其二倍体杂交容易、已构建了较饱和的各种遗传图谱、基因组小且已测序等原因成为林木研究的模式树木的首选。1玉米单交种的杂种优势表现1)显性假说:在杂合子中,来自亲本的显性有利基因掩盖了来自另一亲本的隐性不利基因;2)超显性假说:杂合子基因型表型比纯合子基因型表型具有优势;3)上位效应假说:两个纯合子杂交,杂种优势来源于不同位点的有利等位基因间的交互作用。显性假说可用公式表示为Aa×Bb→AB,根据显性假说的杂种优势大小完全决定于有利显性基因的累加效应,AB≯Aa+Bb,但实际上,许多好的玉米单交种的产量大大超过双亲自交系之和。而且,按照显性假说可以把所有有利基因集中到一个子代中,这时杂种优势将达到最大值,从而产生最优杂种。实际上,基因之间存在连锁,很难将有利基因全部集中到一起。有些杂种并不一定比其纯合亲本表现优势,甚至还有不如亲本的现象。超显性假说也存在着局限,它完全排斥了等位基因间的显隐性差别,排斥了显性基因在杂种优势表现中的作用,不能解释一些纯合子优于杂合子的现象。因此,杂种优势的超显性假说一直被认为是居于次要地位。显性假说和超显性假说都是从单基因位点上解释杂种优势,而上位效应假说可理解为从不同位点等位基因间来解释杂种优势。综观生物界杂种优势的种种表现,3种假说解释的情况都存在。概括地说,杂种优势可能是由于上述某一个或某几个遗传机制造成的,既可能是由于双亲显性基因互补、异质等位基因互作和非等位基因互作的单一作用,也可能是由于这些因素的综合作用和累加作用所引起的。2林木杂种优势形成机理研究水平较低林木杂种优势研究目前主要停留在形态和组织结构观察、生理生化指标测试、DNA分子标记以及作遗传图谱的水平,林木杂种优势形成机理研究水平还比较落后。2.1种外生物量的杂种优势杨树新梢的杂种优势可能包括2种遗传机制,超显性效应和互补效应可同时对杂种优势起作用。例如,在美洲黑杨×毛果杨的杂种中,这2个效应同时对茎生长杂种优势起作用,杂交种的地径横截面面积大于任何一个亲本,而高度同比较高的亲本相似。Hinckley等研究了毛果杨×美洲黑杨杂种中与产量性状杂种优势相关的9个生理学、形态学和解剖学因子,对杂种优势的产生起作用的特征包括叶细胞尺寸、每叶细胞数量、叶面积、展叶期持续时间、分枝结构、树冠光合作用、生根能力和激素含量。Marron研究美洲黑杨×欧洲黑杨群体中叶特征遗传变异与产量的关系时发现,选用的家系在大多数生长性状上表现出正向的杂种优势和较高的遗传变异系数,子代表现出两个亲本特征的整合,即欧洲黑杨较高的叶片产生速率和美洲黑杨较大的叶面积。Pearce测定了毛果杨×美洲黑杨亲本以及子代的节间长,GAs,IAA和ABA的含量。结果显示,在新梢生长方面,杂种F1节间长与节间较长的亲本毛果杨相似,表明杂交种节间长表现为显性杂种优势;杂种F1代的节间直径与节间直径较大的美洲黑杨相似,最终导致其节间生物量大概是任一亲本的2倍,因此,F1代生物量杂种优势是节间长与节间直径位点互补的结果。然而,激素GAs,IAA和ABA的测定结果表明,节间长度杂种优势不由GAs等激素含量控制。在鹅掌楸节间杂种优势上的研究结果与杨树相似。杂种优势的产生不在于激素含量的大小,而可能源于激素的组合及配比。2.2rapd标记对杂种优势的影响杂种优势的形成机理非常复杂,从基因组水平来说,杂种的全部基因均来自双亲,杂种中并未产生新的基因,而基因型不同的2个亲本杂交却可产生杂种优势。Bradshaw等利用毛果杨×美洲黑杨三代家系进行QTL作图时认为,显性是杂种优势的基础。相对Li等在山杨杂种优势研究中认为,等位基因互作产生的超显性效应是杂种优势的主要遗传基础。Arcade等应用RAPD标记研究火炬松杂种的亲本间遗传距离与杂种优势的关系,表明遗传距离远的亲本能产生杂种优势强的杂种,而Baril等用RAPD标记研究桉树杂交亲本遗传距离时发现,中等遗传距离的2个种间亲本杂交才具有正向杂种优势。对鹅掌楸属种间杂交的研究表明,亲本RAPD遗传距离与子代一年生苗高和地径家系平均生长量均表现为显著的二次曲线相关,说明利用遗传距离进行鹅掌楸亲本选配和杂种优势预测具有一定的潜力。同样对杉木杂交研究结果表明,亲本的分子遗传距离与子代生长性状的相关关系较为复杂,亲本的分子遗传变异对亲本选配有一定的参考价值。从DNA水平来看,基因的一级结构、DNA量的多少都影响植物的表型,从而产生杂种优势,但这种影响相对于转录水平来说还是小的。DNA水平的差异是否会造成表型上的差异,与基因的转录表达密切相关。2.3杂种优势遗传机理2个植物的种间杂交能够导致植物基因在表达水平的改变。与亲本相比,杂交种基因表达水平有上调和下调现象;2个栽培种、生态型种的种内杂交或者插入也能够导致基因表达水平的上调和下调,这在二倍体和多倍体玉米、小麦和水稻中已经有所体现。程宁辉等利用mRNA差异显示技术对玉米杂交种和亲本自交系之间基因差异表达规律进行了研究,发现杂交种中存在基因特异表达、基因表达增强、基因表达减弱以及基因表达沉默4种表达方式,认为这种表达上的差异是造成杂种优势可能的原因。吴敏生等利用cDNA-AFLP技术对2个玉米杂交组合,包括一个强优势组合和一个弱优势组合中基因的差异表达进行了研究。结果显示,2个组合中杂交种的基因表达有明显差异,差异有增强的也有双亲沉默的,推测杂种优势的大小可能与双亲基因间的抑制有关。目前在林木杂种优势的相关研究中,从基因差异表达水平上研究杂种优势遗传机理的还比较少。Zhuang等对毛果杨×美洲黑杨F1杂种及亲本的等位基因的研究表明,种间杂交能够导致基因组重组和基因表达水平的改变,对等位基因的表达模式也有大规模的影响,一些等位基因的差异表达可能导致表型的改变。转录调控是基因表达调控的一种重要机制,转录因子又是参与调控的重要反式作用因子,而基因家族则是编码转录因子的一系列功能和结构相似的基因。因此,研究基因家族在亲本与杂交种间的差异,有可能从基因表达方面揭示杂种优势的分子机理。2.4应用前景展望在杂种优势分子机理研究使用的技术方面,利用mRNA差异显示技术(mRNAdiferentialdisplay,DDRT-PCR)、cDNA-AFLP技术、SAGE(serialanalysisofgeneexpression)技术和基因芯片技术(DNAmicroarray)研究杂种和亲本间的基因差异表达、转录调控或基因组DNA甲基化等已成为新的热点。其中,mRNA差异显示、cDNA-AFLP和SAGE技术已在水稻、玉米和麦类等作物杂种优势研究领域得到广泛运用,取得很多成绩。但是,假阳性率高、所得的cDNA片段较短、对高丰度mRNA具有明显的倾向性等不足,严重影响了mRNA差显技术的应用。基因芯片技术已在水稻杂种优势机理研究上得到应用。该方法快速且特异性强,相信在不久的将来,随着芯片技术的不断升级换代,必将被广泛应用于农业科学的各个领域。一些新兴技术在未来也可能应用于杂种优势研究,例如染色质免疫共沉淀技术(chip-on-chipassays)、比较基因组杂交技术(comparativegenomichybridsation,CGH)和蛋白质芯片技术。染色质免疫共沉淀技术和chip相结合,可以高通量地筛选已知蛋白因子的未知DNA靶点和研究反式作用因子在整个基因组上的分布情况,这将有助于深入理解DNA-蛋白质相互作用的调控网络;比较基因组杂交(comparativegenomichybridsation,CGH)是在上世纪90年代初染色体荧光原位杂交(fluorescenceinsituhybridization,FISH)基础上结合消减杂交技术发展起来的一种分子细胞遗传学技术,适合于检测几个kb以上或更长DNA片段的拷贝数变化;蛋白质芯片与基因芯片的基本原理相同,但它不是利用碱基配对而是抗体与抗原结合的特异性即免疫反应来检测。蛋白质芯片构建的简化模型为选择一种固相载体能够牢固地结合蛋白质分子(抗原或抗体),这样形成蛋白质的微阵列,即蛋白质芯片。3杂种优势分子机理的选择综合以上论述以及科研经验,总结出林木杂种优势的特点:1)杂种优势在林木中普遍存在,但不是任何两个亲本杂交都能产生杂种优势,也不是所有子代都表现为优势。有的杂种与亲本水平相当,有的不但没有优势还表现出劣势。2)不能离开具体性状谈杂种优势,因为并不是杂种的所有性状都表现出杂种优势。3)杂种优势与环境有关,同一子代在某一环境下表现出杂种优势,在另一环境下则可能无杂种优势。4)杂种优势主要表现在F1代,随着世代的增加明显递减。5)亲本基因型的纯合度越高,其F1杂种优势越明显。6)杂种优势的大小取决于双亲性状的相对差异和互补程度,亲本间并不是差异越大越好。7)杂种优势不是某个性状的突出表现,而是多个性状的综合表现较好,这些性状之间是相关的。例如,某树种具有材积杂种优势,则其可能在树高、胸径、叶面积、干物质积累速率等性状上也具有杂种优势。8)杂种优势体现出过程性特点,具有时间属性。例如,杨树的高生长杂种优势在扦插苗萌蘖期不明显,而在速生期和成熟期则很明显,有的是在一年生苗期不明显,而在5~8年的速生期明显。9)基因组倍增可产生杂种优势,如雌配子授二倍体大花粉得到的三倍体可产生超亲杂种优势。10)杂种优势的产生不仅与亲本选择有关,而且与育种方法和过程有关。由于林木自身存在上述特点,杂种优势分子机理研究的性状选择应该满足以下要求:1)选择具有杂种优势的合适的试验材料,这一点很关键。2)选择直观可见的性状,而不是需要精密仪器测量的性状。这样可以尽量减少仪器造成的系统误差对结果的影响,降低错误发生的几率。3)必须对直观可见的性状进行剖分,并进行系统的形态结构发育观察,总结发育时期、组织部位与杂种优势的关系。4)选择合适的分子生物学研究技术。5)对目标性状的代谢途径、控制性状的基因要尽可能清楚。林木杂种优势现象复杂,需要一个合适的研究方法来确定目标性状,以便进行系统的研究。常规研究的目标性状多为彼此独立的性状,不分析性状间的相互关系,或对性状简单分析。为此,提出一种适合杂种优势研究的新方法——相对性状分析法,其对模式树木杨树尤为合适。首先选一个具有明显杂种优势的便于观察测量的目标性状,然后把目标性状分解为2个相对性状,再根据试验分析和研究方向从这2个性状中确定一个对目标性状起主要作用的二级目标性状。按照以上方法对二级目标性状再分解,并确定三级主要性状,如此分解直到认为可以圆满解决问题为止。这种分解方法由点到线,形成树状结构,层层确定主效作用因子,可以系统分析科学问题。例如,以材积为目标性状,将其分解为树高和胸径2个二级性状;确定树高为主要因子,分解树高为节间数和节间长2个性状;节间长性状可分解为细胞数量和细胞大小,以细胞数量为相对主要性状,再把它分解为细胞分裂速度和分裂周期,依此类推,可以把它分解到基因水平。这种正向遗传学研究方法把目标性状按照自然科学规律分解为2个或多个性状,这2个或多个性状的乘积(可以加系数)或者之和等于目标性状。在分子生物学发达的今天,这种分析方法让数量遗传学和分子生物学有一个比较合适的结合点。对于反向遗传学研究来说,这种划分方法可以给他们一个清晰的方向。4杂种优势分子机理由于树木高度杂合、树体高大、世代周期长、遗传背景复杂等特点,其无法像农作物或者模式植物那样获得F2群体、回交群体、加倍单倍体群体重组近交系等研究杂种优势的特殊群