摘要：雜種優(yōu)勢是生物界的一種普遍現(xiàn)象，對農(nóng)業(yè)的發(fā)展有很大的促進作用，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甲基化與基因表達調(diào)控角度對雜種優(yōu)勢的遺傳機理作簡單介紹。
　　關(guān)鍵詞：雜種優(yōu)勢；DNA甲基化；基因表達調(diào)控
　　中圖分類號：Q523 文獻標識碼：A
　　
　　近年來，隨著分子遺傳學(xué)理論和分子生物學(xué)技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，分子標記技術(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胞質(zhì)構(gòu)成一個全新的胞內(nèi)環(huán)境和核質(zhì)關(guān)系，這種全新的胞內(nèi)環(huán)境對來自雙親的遺傳基礎(chǔ)構(gòu)成了一個新的調(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)下進行的。因此，雜種優(yōu)勢現(xiàn)象實際上就是基因表達調(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調(diào)控角度探討雜種優(yōu)勢的遺傳機理。
　　
　　1 基因表達差異與雜種優(yōu)勢的關(guān)系
　　
　　1.1 結(jié)構(gòu)基因表達與雜種優(yōu)勢
　　Romagnoli等（1990）首先研究了基因表達與玉米雜種優(yōu)勢的關(guān)系，結(jié)果表明：從雜交種cDNA文庫中選出的三個在雜交種和親本間差異表達的克隆中，有一個克隆在F1中的表達介于雙親之間，另外兩個克隆在F1中的表達接近高效表達的親本。對于雜交種的親本mRNA進行離體翻譯的結(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有關(guān)，因為有33％的差異表達產(chǎn)物在雜交種中更豐富或特異表達。Tsaftaris等（2000）利用3個玉米自交系（B73，H108，H109）配組產(chǎn)生強優(yōu)勢組合H109×B73和弱優(yōu)勢組合H109×H108，對親本和雜種一代基因表達狀況進行了研究，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發(fā)育時期的基因表達均存在差異。強優(yōu)勢組合在第一個發(fā)育時期有30％檢測的基因表達量高于最好的親本，在第三個時期有63％的檢測基因表達水平高于最好的親本；而相比之下，弱優(yōu)勢組合在兩個時期分別有15％和57％的檢測基因表達水平高于最好的親本。此外，弱優(yōu)勢組合有28％的檢測基因表達量低于最差的親本。總體看來，強優(yōu)勢組合的總體基因表達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)，對水稻雜種一代（珍汕97A×明恢63）與其親本幼苗的基因表達差異進行研究，發(fā)現(xiàn)親本基因和F1代基因表達雖然基本相似但仍有差異。他們認為F1代中基因表達的差異可能決定了雜種優(yōu)勢的形成，F(xiàn)1代和親本基因表達差異存在著質(zhì)與量的差別，表達量的差別主要表現(xiàn)在F1基因表達水平強或弱于父本和母本；基因表達質(zhì)上的差異可以歸納為3種類型，第一類是F1代特異表達而在雙親中不表達；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而在F1代中抑制和單親基因表達而在F1代中沉默；第三類是單親基因在F1代中表達。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點雜交技術(shù)為基礎(chǔ)，以強優(yōu)勢雜交組合秈優(yōu)63的兩親本和F1代劍葉為材料，分析其差異表達的基因。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雜種和親本之間的基因表達差異呈現(xiàn)如下幾個特點：（1）不同基因差異表達的方向不一樣；（2）在不同的發(fā)育時期，基因表達差異的程度或方向也不一樣。同時還指出，從基因表達水平上研究雜種優(yōu)勢的分子基礎(chǔ)，不能僅僅著眼于雜種中表達增強的基因，而要同時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）雜種基因表達與親本之間存在明顯差異，而表達的差異則可能決定了雜種一代正或負的優(yōu)勢；（2）雜種與親本間基因的差異表達程度與發(fā)育時期有關(guān)；（3）強優(yōu)勢雜交組合和親本間存在更明顯的基因差異，這可能與其強優(yōu)勢的形成有關(guān)；（4）在強優(yōu)勢雜種組合中，增強型和沉默型所占比例均明顯高于弱優(yōu)勢雜種組合，而單親本表達減弱型則較弱優(yōu)勢組合低。
　　
　　1.2 調(diào)控基因表達與雜種優(yōu)勢
　　基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控系統(tǒng)認為：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�；�因組將這些看不見的信息編碼在DNA上，組成了一個使基因有序表達的網(wǎng)絡(luò)，通過遺傳程序?qū)⒏鞣N基因的活動聯(lián)系在一起。如果其中某些基因發(fā)生了突變，則會影響到網(wǎng)絡(luò)中的其它成員，并通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進一步擴大其影響，而發(fā)展成為可見變異。對雜種優(yōu)勢的形成，基因網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)認為：雜種一代是由兩個不同的基因群組合在一起形成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在這個新組建的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)，等位基因成員處在最好的工作狀態(tài)，使整個遺傳體系發(fā)揮最佳效率，從而實現(xiàn)雜種優(yōu)勢。因此近年來對反式調(diào)控因子基因的表達與雜種優(yōu)勢的關(guān)系的探討也逐漸成為熱點。
　　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差異遠高于用隨機引物展示的基因表達差異；同時還研究了蛋白激酶Ser/Thr家族基因在雜種和親本間的表達，結(jié)果差異顯著，認為Ser/Thr蛋白激酶家族可能是小麥雜種和親本基因差異表達的更高一級的調(diào)控者，因為蛋白激酶可通過改變轉(zhuǎn)錄因子的特性而調(diào)節(jié)基因表達。
　　
　　2 DNA甲基化與雜種優(yōu)勢
　　
　　幾十年來，人們一直認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染色體劑量補償、組蛋白乙酰化等，其中DNA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，因而稱之為“外來修飾”。
　　對家畜和農(nóng)作物的大量研究表明F1代基因表達的變化決定了雜種的性狀表現(xiàn)，而且基因表達的差異主要表現(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，產(chǎn)生基因印記、基因沉默的現(xiàn)象。這些認識促使人們從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率顯著相關(guān)。Hepburn（1991）對植物DNA甲基化進行了研究，特別對DNA甲基化與基因的轉(zhuǎn)錄抑制表達進行了分析，認為自交能導(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）對一個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行了分析，發(fā)現(xiàn)兩個親本胞嘧啶甲基化比例分別為31.4％和28.3％，雜種則為27.4％，基因組表達活性與DNA甲基化存在顯著負相關(guān)，由此認為：雜交種DNA甲基化降低與基因表達增強有關(guān)，可能與雜種優(yōu)勢表達有關(guān)。對玉米自交系、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的關(guān)系進行分析表明：DNA甲基化程度具有基因型、組織和發(fā)育時期特異性，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）對水稻雜交種及其雙親的DNA甲基化進行了研究，結(jié)果表明兩個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)，但某些特異位點上甲基化程度的改變卻對雜種優(yōu)勢有顯著效應(yīng)，有的位點上甲基化降低對雜種優(yōu)勢有利，而有的位點甲基化增強對雜種優(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增強是有利的，而同時某些基因受到抑制也是有利的；同時，其研究組以一套雙列雜交組合的劍葉為材料進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)用甲基敏感擴增多態(tài)性（MSAP）和甲基化敏感隨機引物PCR（MS-AP-PCR）對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，但單個位點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代的某些位點去甲基化；同親代相比，F(xiàn)1代的某些位點發(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，認為DNA甲基化具有母體效應(yīng)。個體間甲基化差異也對雜種表現(xiàn)產(chǎn)生顯著影響，雜種性狀對甲基化差異的增加而表現(xiàn)提高、降低和上下波動三種變化趨勢，認為它們之間的關(guān)系復(fù)雜。另外，他對序列分析研究表明，顯著影響雜種表現(xiàn)的甲基化位點位于CpG島，而且可能位于基因啟動子中。Xiong等（1999）也曾對那些雜種優(yōu)勢有效應(yīng)的甲基化片段進行序列分析并推測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來達到了解雜種優(yōu)勢形成的遺傳基礎(chǔ)和預(yù)測雜種優(yōu)勢的目的仍有待進一步研究。
　　
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