摘要：雜種優(yōu)勢是生物界的一種普遍現(xiàn)象，對(duì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展有很大的促進(jìn)作用，為了更好地利用雜種優(yōu)勢，人們一直致力于雜種優(yōu)勢形成機(jī)理的研究，也取得了很大成就。本文主要從DNA甲基化與基因表達(dá)調(diào)控角度對(duì)雜種優(yōu)勢的遺傳機(jī)理作簡單介紹。
　　關(guān)鍵詞：雜種優(yōu)勢；DNA甲基化；基因表達(dá)調(diào)控
　　中圖分類號(hào)：Q523 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　
　　近年來，隨著分子遺傳學(xué)理論和分子生物學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，分子標(biāo)記技術(shù)為雜種優(yōu)勢的顯性、超顯性和上位性假說提供了分子水平上的證據(jù)，并研究發(fā)現(xiàn)基因表達(dá)差異與雜種優(yōu)勢有關(guān)。
　　基因型的雜合性是雜種優(yōu)勢的基礎(chǔ)，在雜合子中，來自雙親的染色體和主要來自母本的細(xì)胞質(zhì)構(gòu)成一個(gè)全新的胞內(nèi)環(huán)境和核質(zhì)關(guān)系，這種全新的胞內(nèi)環(huán)境對(duì)來自雙親的遺傳基礎(chǔ)構(gòu)成了一個(gè)新的調(diào)控系統(tǒng)。雜合子的生長發(fā)育就是在這種全新的調(diào)控系統(tǒng)下進(jìn)行的。因此，雜種優(yōu)勢現(xiàn)象實(shí)際上就是基因表達(dá)調(diào)控的外在表現(xiàn)，隨著近年來分子生物學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們除了在DNA水平探討位點(diǎn)雜合性及QTL互作方式與雜種優(yōu)勢的關(guān)系外，更需要從雜交種與親本在基因表達(dá)調(diào)控角度探討雜種優(yōu)勢的遺傳機(jī)理。
　　
　　1 基因表達(dá)差異與雜種優(yōu)勢的關(guān)系
　　
　　1.1 結(jié)構(gòu)基因表達(dá)與雜種優(yōu)勢
　　Romagnoli等（1990）首先研究了基因表達(dá)與玉米雜種優(yōu)勢的關(guān)系，結(jié)果表明：從雜交種cDNA文庫中選出的三個(gè)在雜交種和親本間差異表達(dá)的克隆中，有一個(gè)克隆在F1中的表達(dá)介于雙親之間，另外兩個(gè)克隆在F1中的表達(dá)接近高效表達(dá)的親本。對(duì)于雜交種的親本mRNA進(jìn)行離體翻譯的結(jié)果顯示，雜種優(yōu)勢的產(chǎn)生與雜交種中許多基因的差異表達(dá)有關(guān)，因?yàn)橛?3％的差異表達(dá)產(chǎn)物在雜交種中更豐富或特異表達(dá)。Tsaftaris等（2000）利用3個(gè)玉米自交系（B73，H108，H109）配組產(chǎn)生強(qiáng)優(yōu)勢組合H109×B73和弱優(yōu)勢組合H109×H108，對(duì)親本和雜種一代基因表達(dá)狀況進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示雜種與親本，以及不同優(yōu)勢的雜種之間在每個(gè)發(fā)育時(shí)期的基因表達(dá)均存在差異。強(qiáng)優(yōu)勢組合在第一個(gè)發(fā)育時(shí)期有30％檢測的基因表達(dá)量高于最好的親本，在第三個(gè)時(shí)期有63％的檢測基因表達(dá)水平高于最好的親本；而相比之下，弱優(yōu)勢組合在兩個(gè)時(shí)期分別有15％和57％的檢測基因表達(dá)水平高于最好的親本。此外，弱優(yōu)勢組合有28％的檢測基因表達(dá)量低于最差的親本�？傮w看來，強(qiáng)優(yōu)勢組合的總體基因表達(dá)平均水平要高于親本及弱優(yōu)勢組合。
　　程寧輝等（1997）應(yīng)用mRNA差異顯示技術(shù)，對(duì)水稻雜種一代（珍汕97A×明恢63）與其親本幼苗的基因表達(dá)差異進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)親本基因和F1代基因表達(dá)雖然基本相似但仍有差異。他們認(rèn)為F1代中基因表達(dá)的差異可能決定了雜種優(yōu)勢的形成，F(xiàn)1代和親本基因表達(dá)差異存在著質(zhì)與量的差別，表達(dá)量的差別主要表現(xiàn)在F1基因表達(dá)水平強(qiáng)或弱于父本和母本；基因表達(dá)質(zhì)上的差異可以歸納為3種類型，第一類是F1代特異表達(dá)而在雙親中不表達(dá)；第二類是親本基因在F1代中沉默，這一類又可分為雙親基因表達(dá)而在F1代中抑制和單親基因表達(dá)而在F1代中沉默；第三類是單親基因在F1代中表達(dá)。這一結(jié)果與他們1996年在玉米中的研究結(jié)果類似。熊立仲等（1999）以mRNA差異顯示和cDNA點(diǎn)雜交技術(shù)為基礎(chǔ)，以強(qiáng)優(yōu)勢雜交組合秈優(yōu)63的兩親本和F1代劍葉為材料，分析其差異表達(dá)的基因。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雜種和親本之間的基因表達(dá)差異呈現(xiàn)如下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）不同基因差異表達(dá)的方向不一樣；（2）在不同的發(fā)育時(shí)期，基因表達(dá)差異的程度或方向也不一樣。同時(shí)還指出，從基因表達(dá)水平上研究雜種優(yōu)勢的分子基礎(chǔ)，不能僅僅著眼于雜種中表達(dá)增強(qiáng)的基因，而要同時(shí)考慮那些減弱或被抑制的基因。倪中福等（2001）在研究中則發(fā)現(xiàn)：（1）雜種基因表達(dá)與親本之間存在明顯差異，而表達(dá)的差異則可能決定了雜種一代正或負(fù)的優(yōu)勢；（2）雜種與親本間基因的差異表達(dá)程度與發(fā)育時(shí)期有關(guān)；（3）強(qiáng)優(yōu)勢雜交組合和親本間存在更明顯的基因差異，這可能與其強(qiáng)優(yōu)勢的形成有關(guān)；（4）在強(qiáng)優(yōu)勢雜種組合中，增強(qiáng)型和沉默型所占比例均明顯高于弱優(yōu)勢雜種組合，而單親本表達(dá)減弱型則較弱優(yōu)勢組合低。
　　
　　1.2 調(diào)控基因表達(dá)與雜種優(yōu)勢
　　基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控系統(tǒng)認(rèn)為：不同的生物其基因組都有一套保證正常生長與發(fā)育的遺傳信息，包括全部的編碼基因，控制基因表達(dá)的調(diào)控序列，以及協(xié)調(diào)不同基因之間相互作用的組分�；蚪M將這些看不見的信息編碼在DNA上，組成了一個(gè)使基因有序表達(dá)的網(wǎng)絡(luò)，通過遺傳程序?qū)⒏鞣N基因的活動(dòng)聯(lián)系在一起。如果其中某些基因發(fā)生了突變，則會(huì)影響到網(wǎng)絡(luò)中的其它成員，并通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)大其影響，而發(fā)展成為可見變異。對(duì)雜種優(yōu)勢的形成，基因網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)認(rèn)為：雜種一代是由兩個(gè)不同的基因群組合在一起形成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在這個(gè)新組建的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)，等位基因成員處在最好的工作狀態(tài)，使整個(gè)遺傳體系發(fā)揮最佳效率，從而實(shí)現(xiàn)雜種優(yōu)勢。因此近年來對(duì)反式調(diào)控因子基因的表達(dá)與雜種優(yōu)勢的關(guān)系的探討也逐漸成為熱點(diǎn)。
　　Tsaftaris等（1998）研究發(fā)現(xiàn)玉米親本自交系與雜交種之間轉(zhuǎn)錄因子的數(shù)量有明顯差異，通過制備的一些轉(zhuǎn)錄因子的特異抗體，研究了轉(zhuǎn)錄合成數(shù)量的差異，發(fā)現(xiàn)ABA轉(zhuǎn)錄因子Rab21在一個(gè)親本中合成數(shù)量明顯高于雜種一代和另一親本。趙相山（1997）研究發(fā)現(xiàn)MAD-box和GBFs兩類轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子在玉米和水稻雜種F1代與親本苗期葉片中存在顯著差異。倪中福（1999）的研究結(jié)果表明：編碼MAD-box，GBFs兩類轉(zhuǎn)錄因子的基因在小麥雜種和親本苗期根系及葉片均存在顯著的差異，而且編碼轉(zhuǎn)錄因子的基因在雜種與親本間的表達(dá)差異遠(yuǎn)高于用隨機(jī)引物展示的基因表達(dá)差異；同時(shí)還研究了蛋白激酶Ser/Thr家族基因在雜種和親本間的表達(dá)，結(jié)果差異顯著，認(rèn)為Ser/Thr蛋白激酶家族可能是小麥雜種和親本基因差異表達(dá)的更高一級(jí)的調(diào)控者，因?yàn)榈鞍准っ缚赏ㄟ^改變轉(zhuǎn)錄因子的特性而調(diào)節(jié)基因表達(dá)。
　　
　　2 DNA甲基化與雜種優(yōu)勢
　　
　　幾十年來，人們一直認(rèn)為基因決定著生命中所需要的各種蛋白質(zhì)，決定著生命體的表型。但隨著研究的不斷深入，人們也發(fā)現(xiàn)一些無法解釋的現(xiàn)象：馬和驢正反交的后代差別較大；同卵雙生的兩個(gè)人具有完全相同的基因組，但在同樣的環(huán)境中長大后他們在性格、健康等方面會(huì)有較大的差異，這些并不符合經(jīng)典的孟德爾遺傳學(xué)理論。這說明，在相應(yīng)的基因堿基序列沒有發(fā)生變化的情況下，一些生物體的表型卻發(fā)生了改變。表觀遺傳學(xué)（Epigenetics）這一研究表觀遺傳變異的遺傳學(xué)分支學(xué)科也因此應(yīng)運(yùn)而生了。表觀遺傳變異（Epigenetic variation）是指，在基因的DNA序列沒有發(fā)生改變的情況下，基因功能發(fā)生了可遺傳的變化，并最終導(dǎo)致了表型的變化。表觀遺傳學(xué)的研究內(nèi)容很多，包括DNA甲基化、X染色體劑量補(bǔ)償、組蛋白乙�；龋渲蠨NA甲基化的研究受到了人們極大的關(guān)注。
　　DNA甲基化是指生物體在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的作用下，以S-腺苷甲硫氨酸為甲基供體，將甲基轉(zhuǎn)移到胞嘧啶的5′位置上。DNA甲基化屬于一種DNA修飾，它不改變分子的堿基順序，只調(diào)控分子中基因的表達(dá)，因而稱之為“外來修飾”。
　　對(duì)家畜和農(nóng)作物的大量研究表明F1代基因表達(dá)的變化決定了雜種的性狀表現(xiàn)，而且基因表達(dá)的差異主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)錄水平上，其原因可能在于等位基因調(diào)控區(qū)的結(jié)構(gòu)不同，或是不同基因型轉(zhuǎn)錄裝置的工作效率不同。表觀遺傳是通過染色體結(jié)構(gòu)和基因組DNA甲基化狀態(tài)的改變，從而改變基因的表達(dá)，產(chǎn)生基因印記、基因沉默的現(xiàn)象。這些認(rèn)識(shí)促使人們從DNA甲基化水平與轉(zhuǎn)錄調(diào)控角度去探索雜種優(yōu)勢的遺傳機(jī)理。
　　Cedar等（1988）的研究結(jié)果表明，基因組DNA甲基化程度及分布與基因表達(dá)率顯著相關(guān)。Hepburn（1991）對(duì)植物DNA甲基化進(jìn)行了研究，特別對(duì)DNA甲基化與基因的轉(zhuǎn)錄抑制表達(dá)進(jìn)行了分析，認(rèn)為自交能導(dǎo)致甲基化程度的逐漸積累，而雜交能使甲基化程度得以解除或重新編排。Tsaftaris等（1998）對(duì)一個(gè)玉米雜交種及其親本DNA甲基化胞嘧啶占總胞嘧啶的比例進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)親本胞嘧啶甲基化比例分別為31.4％和28.3％，雜種則為27.4％，基因組表達(dá)活性與DNA甲基化存在顯著負(fù)相關(guān)，由此認(rèn)為：雜交種DNA甲基化降低與基因表達(dá)增強(qiáng)有關(guān)，可能與雜種優(yōu)勢表達(dá)有關(guān)。對(duì)玉米自交系、改良系和雜交種的基因組DNA甲基化程度及分布與基因表達(dá)的關(guān)系進(jìn)行分析表明：DNA甲基化程度具有基因型、組織和發(fā)育時(shí)期特異性，且與環(huán)境互作顯著；雜交種DNA甲基化程度低于自交系；改良系DNA甲基化程度低于自交系；在密植條件下自交系DNA甲基化狀態(tài)的改變較雜交種更明顯。Xiong等（1999）對(duì)水稻雜交種及其雙親的DNA甲基化進(jìn)行了研究，結(jié)果表明兩個(gè)親本具有相同的甲基化（均為16.3％），而在雜交種中甲基化比例為18％，結(jié)論與Tsaftaris恰恰相反，但他們認(rèn)為在水稻雜種中雖然總體上甲基化程度與雜種優(yōu)勢不相關(guān)，但某些特異位點(diǎn)上甲基化程度的改變卻對(duì)雜種優(yōu)勢有顯著效應(yīng)，有的位點(diǎn)上甲基化降低對(duì)雜種優(yōu)勢有利，而有的位點(diǎn)甲基化增強(qiáng)對(duì)雜種優(yōu)勢有利。這說明，雜種優(yōu)勢產(chǎn)生過程中并不僅僅是一些基因表達(dá)增強(qiáng)是有利的，而同時(shí)某些基因受到抑制也是有利的；同時(shí)，其研究組以一套雙列雜交組合的劍葉為材料進(jìn)行研究也得出了相同的結(jié)論。
　　蔣曹德（2004）研究了豬DNA甲基化與雜種優(yōu)勢的關(guān)系。他應(yīng)用甲基敏感擴(kuò)增多態(tài)性（MSAP）和甲基化敏感隨機(jī)引物PCR（MS-AP-PCR）對(duì)48頭純種梅山豬、42頭純種大白豬、118頭大白×梅山F1代和46頭梅山×大白F1代三月齡血液樣和六月齡肌肉樣進(jìn)行了分析研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)梅山豬、大白豬及其正反交一代間基因組整體甲基化程度差別不大，但單個(gè)位點(diǎn)甲基化狀況存在著四種類型的差異：親子代甲基化水平相同；單親與子代甲基化水平相同；同親代相比，F(xiàn)1代的某些位點(diǎn)去甲基化；同親代相比，F(xiàn)1代的某些位點(diǎn)發(fā)生特異甲基化。其中前三種差異類型均與雜種表現(xiàn)相關(guān)，但它們對(duì)雜種表現(xiàn)影響的程度和方向不同。正反交F1代有特異甲基化現(xiàn)象，認(rèn)為DNA甲基化具有母體效應(yīng)。個(gè)體間甲基化差異也對(duì)雜種表現(xiàn)產(chǎn)生顯著影響，雜種性狀對(duì)甲基化差異的增加而表現(xiàn)提高、降低和上下波動(dòng)三種變化趨勢，認(rèn)為它們之間的關(guān)系復(fù)雜。另外，他對(duì)序列分析研究表明，顯著影響雜種表現(xiàn)的甲基化位點(diǎn)位于CpG島，而且可能位于基因啟動(dòng)子中。Xiong等（1999）也曾對(duì)那些雜種優(yōu)勢有效應(yīng)的甲基化片段進(jìn)行序列分析并推測DNA甲基化可能主要發(fā)生在非編碼區(qū)，特別是調(diào)控區(qū)，顯然這對(duì)調(diào)控有關(guān)雜種優(yōu)勢的基因更有效，和蔣曹德的結(jié)論基本一致。
　　有關(guān)DNA甲基化與雜種優(yōu)勢關(guān)系的研究還處于起步階段，目前還無法確定由于DNA甲基化造成的差異表達(dá)基因與F1代表型變化之間的直接關(guān)系，雜種優(yōu)勢的形成是不是這些差異表達(dá)基因作用的結(jié)果，還沒有明確的答案，因此能否通過基因表達(dá)來達(dá)到了解雜種優(yōu)勢形成的遺傳基礎(chǔ)和預(yù)測雜種優(yōu)勢的目的仍有待進(jìn)一步研究。
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　[1]Romagnoli S， Maddaloni M， Livini C， Motto M. Relationship between gene expression and hybrid vigor in primary root tips of young maize （Zea mays L.） plantlets. Theor Appl Genet， 1990， 80.
　　[2]Tsaftaris A S， Polidoros A N. DNA methylation and plant breeding， Plant Breeding Reviews18， edited by Jules Janick， 2000.
　　[3]程寧輝，高燕萍，楊金水，錢?，葛扣麟.水稻雜種一代與親本幼苗基因表達(dá)差異的分析[J].植物學(xué)報(bào)，1997，39（4）.
　　[4]程寧輝，高燕萍，楊金水，錢?，葛扣麟.玉米雜種一代與親本基因表達(dá)差異的初步研究[J].科學(xué)通報(bào)，1996，41（5）.
　　[5]熊立仲.基因表達(dá)水平上水稻雜種優(yōu)勢的分子生物學(xué)基礎(chǔ)研究[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)圖書館，1999.
　　[6]倪中福，孫其信，吳利民，解超杰，孟凡榮.小麥種間與品種間雜交種及其親本之間基因差異表達(dá)比較研究[J].農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學(xué)報(bào)，2001，9（4）.
　　[7]Tsaftaris A S， Kafka M. Mechanism of heterosis in crop plant [J]. Journal of Crop Production， 1998， 1.
　　[8]趙相山.玉米、水稻雜交組合中差異表達(dá)基因研究[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，1997.
　　[9]倪中福.小麥RAPD分子標(biāo)記遺傳差異及雜交種與親本間基因差異表達(dá)研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，1999.
　　[10]Reik W， Suranic A. Genomic Imprinting. IRL press， Oxford， UK. 1997.
　　[11]郭予琦，等.基因表達(dá)與雜種優(yōu)勢遺傳機(jī)理[J].河南職技師院學(xué)報(bào)，2001，29（2）.
　　[12]Cedar H. DNA methylation and gene activity. Cell， 1988， 70.
　　[13]Hepburn P A， Margison G P， Tisdale M J. Enzymatic methylation of cytosine in DNA is prevented by adjacent O6-methylguanine residues. J Biol Chem， 1991， 266.
　　[14]Tsaftaris A S， Kafka M， Polidoros A， et al. The genetics and exploitation of heterosis in crop， Mexico， 1997.
　　[15]Xiong L Z， Xu C G， Saghai Maroof M A， et al. Patterns of cytosine methylation in an elite rice hybrid and its parental lines detected by a methylation-sensitive amplification polymorphism technique. Mol Gen Genet， 1999， 261.
　　[16]蔣曹德.中外豬種RAPD分析及DNA甲基化與雜種表現(xiàn)的關(guān)系[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)圖書館，2004.

相關(guān)熱詞搜索：雜種 甲基 化與 ＤＮＡ甲基化與雜種優(yōu)勢 dna甲基化 dna的甲基化