雜種優(yōu)勢（Heterosis）是指雜交子一代（雜交F1）在許多性狀上優(yōu)于雙親的現(xiàn)象，其在動植物良種培育和農(nóng)作物增產(chǎn)中起到非常重要的作用。課題組前期的研究首次在植物中發(fā)現(xiàn)特定的擬南芥雜交F1具有顯著的抗病雜種優(yōu)勢，并在分子水平上構(gòu)建了以水楊酸合成通路為中心的抗病雜種優(yōu)勢調(diào)控網(wǎng)絡（Yang et al., 2015, Nat. Commun.）。然而，植物抗病能力的提高通常會帶來生長的嚴重損失。目前為止，尚不清楚雜交F1能否協(xié)調(diào)抗病和生長兩種雜種優(yōu)勢？如果可以，那么平衡兩種雜種優(yōu)勢的關(guān)鍵因子和協(xié)調(diào)機制又是什么？
2021年4月19日，北京大學現(xiàn)代農(nóng)學院與生命科學學院鄧興旺教授實驗室何光明副研究員課題組在《自然·通訊》（Nature Communications）上在線發(fā)表了題為“A central circadian oscillator confers defense heterosis in hybrids without growth vigor costs”的研究論文，揭示了生物鐘核心因子CCA1調(diào)控雜交F1抗病雜種優(yōu)勢并同時顯著提高其生物量雜種優(yōu)勢的分子機制：受節(jié)律性組蛋白修飾的影響，CCA1于病原菌入侵的第一天黎明在雜交F1中超高親表達，從而調(diào)控水楊酸合成基因超高親激活，最終促進雜交F1超高親積累水楊酸，表現(xiàn)出顯著的抗病雜種優(yōu)勢。而在病原菌入侵后的每一天中午，CCA1節(jié)律性在雜交F1中超低親表達，從而解除其對下游生長相關(guān)基因的抑制，使雜交F1具有更強的光合作用和淀粉利用效率，表現(xiàn)出顯著的生長雜種優(yōu)勢。更巧妙的是，CCA1特異地在病原菌入侵后的第一天顯著提高抗病雜種優(yōu)勢，可以有效避免雜交F1由于持續(xù)激活免疫反應所帶來的生長消耗。另一方面，CCA1在病原菌入侵后的每一天，均可節(jié)律性地促進雜交F1的生長，從而更有效地彌補了雜交F1中強抗病反應帶來的生長損失，最終使得雜交F1展現(xiàn)出顯著的抗性-生長兩方面雜種優(yōu)勢。該研究不僅擴展了人們對雜種優(yōu)勢形成機制的認知，同時也為選育高產(chǎn)-高抗雙優(yōu)雜交品種提供了新的策略。
生物鐘核心因子CCA1通過時間策略平衡且同時提高雜交F1抗病-生長雜種優(yōu)勢的分子機制
北京大學現(xiàn)代農(nóng)學院已出站博士后、現(xiàn)中國農(nóng)業(yè)大學植物保護學院楊麗教授和北京大學生命科學學院在讀博士生劉鵬濤為該論文的共同第一作者。鄧興旺和何光明為共同通訊作者。中國農(nóng)業(yè)大學等單位也參與了該研究。這項研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國博士后科學基金、蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點實驗室以及北京大學-清華大學生命科學聯(lián)合中心的資助。
