近期，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)劉紅軍聯(lián)合內(nèi)布拉斯加大學(xué)楊金良等團隊在Nature Communicaitons 上發(fā)表研究論文：The incomplete dominance of gene expression controlled by Trans-eQTL hotspots contributes to heterosis in maize，揭示了玉米雜種優(yōu)勢的新機制，即trans-eQTL調(diào)控基因表達的不完全顯性。

研究背景

雜種優(yōu)勢是指雜交子代在生長勢、抗逆性、產(chǎn)量等方面超越雙親的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象在玉米、水稻等主要農(nóng)作物中廣泛應(yīng)用，但其背后的分子機制一直是遺傳學(xué)界爭論的焦點。經(jīng)典的三種假說包括顯性假說、超顯性假說和上位性假說。近年來，顯性假說重新獲得關(guān)注，核心觀點是來自雙親的有益顯性效應(yīng)會朝著同一個方向累積，從而在雜交種中產(chǎn)生優(yōu)勢表現(xiàn)。

研究設(shè)計

利用203個玉米自交系，按照不完全雙列雜交設(shè)計產(chǎn)生了599個雜交種。他們采用了獨特的胚胎解剖技術(shù)，在種子萌發(fā)初期剝離胚乳，避免了胚乳營養(yǎng)對早期幼苗發(fā)育的干擾。同時對兩周大的幼苗進行轉(zhuǎn)錄組測序，獲得了雜種和親本的全基因組表達譜，并系統(tǒng)分析了基因表達的中親值偏離程度。

核心發(fā)現(xiàn)

約30%的基因表現(xiàn)出不完全顯性

在19,880個表達基因中，約30%的基因在雜交種中顯著偏離雙親中親值，其中正向偏離和負向偏離各占約一半。這些基因并非隨機分布，而是傾向于聚集在共表達網(wǎng)絡(luò)中，且網(wǎng)絡(luò)中的樞紐基因比非樞紐基因表現(xiàn)出更強的非加性表達特征。

圖片

圖片

trans-eQTL是驅(qū)動非加性表達的主因

研究者進行了eQTL定位分析，發(fā)現(xiàn)基因本身的表達水平主要受cis-eQTL調(diào)控，超過70%的基因在自交系和雜交種中都能檢測到cis-eQTL。但當(dāng)分析基因表達的非加性程度（即DMP值）時，情況完全不同：只有不到3%的基因在cis位置檢測到關(guān)聯(lián)信號，近90%的關(guān)聯(lián)位點位于不同染色體上。這表明非加性表達模式主要由trans因子調(diào)控。

圖片

eQTL熱點集中分布

這些調(diào)控非加性表達的trans-eQTL并非均勻分布在基因組上，而是聚集在822個熱點區(qū)域，每個熱點調(diào)控超過45個基因的表達模式。其中82%的熱點富集正向偏離的靶基因，只有11%富集負向偏離基因。進一步分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄因子基因在這些熱點中顯著富集。研究者利用公共數(shù)據(jù)庫的DAP-seq和ChIP-seq數(shù)據(jù)驗證發(fā)現(xiàn)，熱點區(qū)域內(nèi)的轉(zhuǎn)錄因子與其靶基因存在直接的物理結(jié)合。

圖片

圖片

ZmR1的功能驗證

研究團隊重點驗證了一個位于trans-eQTL熱點的轉(zhuǎn)錄因子ZmR1。該基因編碼bHLH類型轉(zhuǎn)錄因子，在大多數(shù)雜交種中的表達水平顯著高于雙親中值。ZmR1調(diào)控超過230個下游基因的表達模式，這些基因主要參與木質(zhì)素代謝、花青素合成和光合作用等通路。雙熒光素酶報告實驗證實ZmR1既能激活也能抑制特定靶基因的表達。

研究者獲得了ZmR1的過表達材料。在自交系背景中，過表達ZmR1對性狀沒有明顯提升甚至略有下降；但在雜交種背景下，過表達ZmR1顯著增強了幼苗鮮重、苗長、根長等性狀的雜種優(yōu)勢。田間試驗也顯示，過表達雜交種的株高和莖稈強度明顯優(yōu)于對照。莖稈組織染色和木質(zhì)素含量測定證實，過表達雜交種積累了更多木質(zhì)素，這解釋了莖稈強度的提升。

圖片

圖片

研究提出的模型

根據(jù)這些發(fā)現(xiàn)，研究者提出了一個解釋雜種優(yōu)勢的層級調(diào)控模型。在雜交種中，trans因子作為可擴散蛋白，能夠結(jié)合到靶基因的cis調(diào)控元件上，招募完整的轉(zhuǎn)錄機器，從而掩蓋了cis調(diào)控區(qū)有害變異的效應(yīng)。這些trans-eQTL熱點相當(dāng)于上游的調(diào)控樞紐，少數(shù)幾個位點就能夠影響數(shù)百個下游基因的表達方向。只有當(dāng)這些下游基因處于雜合狀態(tài)時，調(diào)控效應(yīng)才能充分顯現(xiàn)。這一模型與omnigenic遺傳框架高度一致：核心基因直接關(guān)聯(lián)性狀，而外圍基因通過調(diào)控核心基因間接影響表型。

總結(jié)

這項研究從轉(zhuǎn)錄組水平上解析了雜種優(yōu)勢的分子基礎(chǔ)，明確了trans調(diào)控在非加性表達中的主導(dǎo)作用。研究證實顯性效應(yīng)朝著同一方向累積是產(chǎn)生正向雜種優(yōu)勢的前提，trans-eQTL熱點在育種選擇中印記不深，提示這些區(qū)域的遺傳多樣性值得在育種中保留。這項研究為理解雜種優(yōu)勢提供了新的理論框架，也為分子標(biāo)記輔助育種和基因編輯改良提供了潛在的靶點。

米源生物提供專業(yè)的生物信息學(xué)分析與智能輔助育種服務(wù)，致力于彌合前沿科研發(fā)現(xiàn)與育種應(yīng)用之間的斷層。如果您有生信與育種數(shù)據(jù)分析需求，歡迎聯(lián)系我們。為了更好地服務(wù)于您，可掃碼咨詢！