世代交替间的“兴亡盛衰”：从杂种优势到自交衰退

“Nature abhors perpetual self-fertilisation.”

—— Charles R. Darwin, 1862

近亲繁殖的不利影响最早是由达尔文（Charles R. Darwin）在1876年详细记录下来的，他通过大量的植物实验得出了“杂交有利，自交有害”的结论。自交衰退是指物种由于自交或者近交繁殖而出现的在多个方面退化的现象，而杂种优势则指的是物种杂交后在这些方面优于亲本的现象；二者往往被认为是一枚硬币的正反面，并广泛存在于植物和动物中。植物自交后，其活力、育性、产量可能会降低，严重时甚至会导致败育；对于动物而言，包括人类，近亲繁殖会使后代罹患隐性遗传病的概率显著增高。长期以来，科学家一直在努力避免自交衰退的不利影响，一方面加大对隐性遗传病的诊断及致病基因的鉴定，另一方面则致力于更好地利用杂种优势来培育优良品种，特别是农作物和牲畜的杂种优势。因此，了解自交衰退的遗传机制具有十分重要的意义。

现有对自交衰退的研究大多集中在异交的物种中：自交衰退多被认为是在自交过程中，由于纯合性增加而导致隐性有害基因的暴露引起的。令人好奇的是，与异交物种在进化过程中可能携带一定数量的隐性有害基因相比，自花授粉植物由于其特殊的生殖模式，所包含的隐性有害基因可以忽略不计；那么自花授粉植物中是否存在自交衰退，如果存在其遗传基础是什么，在育种过程中又应该如何避免自交衰退的产生？

近日，华中农业大学水稻团队在SCIENCE CHINA Life Sciences在线发表了题为The Genetic Basis and Process of Inbreeding Depression in an Elite Hybrid Rice的研究论文。该研究以自花授粉的水稻为模型，首次在连续自交的世代中系统地揭示了自交衰退的遗传学基础，并阐明了自交衰退与杂种优势的关系。

图1 水稻中的杂种优势与自交衰退

汕优63是我国累计推广面积最大的杂交稻，由珍汕97和明恢63杂交而来，具有产量高、适应性广等特点。因其表现出极强的杂种优势，华中农业大学水稻团队近三十年来围绕其衍生群体针对杂种优势进行了全面系统的研究（Yu et al, 1997; Hua et al, 2003; Zhou et al, 2012; Wang et al, 2022）。鉴于此，该研究基于汕优63的杂交组合，以单粒传的方法构建了F2到F4各191个单株的连续自交群体，发现随着杂合率的降低，所有在F1中产生杂种优势的性状都在自交后代中发生了不同程度的衰退，并且世代间衰退幅度与杂合率的降幅呈正相关。整合三个世代的群体数据，通过对每穗颖花数、一次枝梗数和二次枝梗数三个穗型性状的遗传分析，鉴定到系列的显性效应位点如Hd3a/RFT1、Ghd7、Ghd7.1等，这些位点处于杂合状态时其性状表现优于纯合状态，当它们在世代传递过程中发生分离时，势必导致后代群体表现的下降。因此，具有正向显性效应（包括不完全显性或者超显性）的QTL是潜在的衰退效应位点，成为产生自交衰退的关键所在。同时，这些QTL构成了自交衰退和杂种优势的主要联系。

然而，这些效应位点在传代过程中并非总是按照孟德尔分离比进行分离：位于偏分离区域中具有显性效应、甚至不具有显性效应但仅表现为加性效应的QTL，因其受到紧密连锁的偏分离位点的影响，它们在自交传代中的分离比例会随之改变。由于这些QTL分离后的三种基因型具有不同的性状表现，而当低表现基因型优先传递时，也会导致一定程度的衰退。不仅如此，由于上位性的影响，基因相互作用使得目标位点在不同遗传背景表现出不同程度的显性效应。当自交世代交替时，这些相互作用可能由于分离重组以及杂合性衰减引起的遗传背景的不断变化而被激活或消失，导致世代间衰退程度的改变。以上为自交衰退相较于杂种优势的区别和复杂性。

图2 水稻自交衰退的遗传模型

值得注意的是，自交衰退发生在世代交替间，在传代过程中这些QTL分离的同时，遗传背景也会随着杂合率的降低发生变化。因此，利用F2和F3两代群体中每个家系单株一一对应的世代关系，将其基因型变异和表型变异相结合构建了F2:3变异群体。通过上述对潜在衰退位点可能遗传表现的研究和认识，进一步在F2:3变异群体中评估了潜在衰退位点的实际衰退效应，发现效应位点在实际传代过程中的衰退受背景上位性的影响很大，并且位点不同的等位基因在世代交替中也存在不一致或不同程度的背景衰退。这表明了传代过程中，因分离重组导致遗传调控网络的改变而作用于自交衰退的复杂表现。研究结果确认了显性效应、偏分离以及上位性之于自交衰退遗传基础的同时，拓展了我们对自交衰退以及杂种优势全基因组遗传结构的认识。这将有助于育种者在未来通过对早期杂种低表现或致病基因的筛查以及整合高效QTL和优势杂合子，有效地设计和创造具有更好农艺性状的品种。

华中农业大学生命科学技术学院博士研究生许小东为论文第一作者，华中农业大学水稻团队欧阳亦聃教授为通讯作者，张启发教授参与设计并指导了该研究工作。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖北省重点研发计划、洪山实验室湖北省重点研发计划以及中央高校基本科研业务专项的资助。

参考文献：

Charlesworth, D., Willis, J.H. (2009). The genetics of inbreeding depression. Nat Rev Genet 10, 783-796.

Hua, J.P., Xing, Y.Z., Wu, W.R., Xu, C.G., Sun, X.L., Yu, S.B., et al. (2003). Single-locus heterotic effects and dominance by dominance interactions can adequately explain the genetic basis of heterosis in an elite rice hybrid. Proc Natl Acad Sci U S A 100, 2574-2579.

Wang, X.M., Zhou, T.H., Li, G.W., Yao, W., Hu, W., Wei, X., et al. (2022). A Ghd7-centered regulatory network provides a mechanistic approximation to optimal heterosis in an elite rice hybrid. Plant J 112, 68-83.

Yu, S.B., Li, J.X., Xu, C.G., Tan, Y.F., Gao, Y.J., Li, X.H.,et al. (1997). Importance of epistasis as the genetic basis of heterosis in an elite rice hybrid. Proc Natl Acad Sci U S A 94, 9226-9231.

Zhou, G., Chen, Y., Yao, W., Zhang, C.J., Xie, W.B., Hua, J.P., et al. (2012). Genetic composition of yield heterosis in an elite rice hybrid. Proc Natl Acad Sci U S A 109, 15847-15852.

论文链接：

https://www.sciengine.com/SCLS/doi/10.1007/s11427-023-2547-2