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。本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(luò)(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實驗室何光明課題組在《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(yīng)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(yīng)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)大學植物保護學院教授-楊麗和北京大學生命科學學院在讀博士研究生-劉鵬濤為該論文的共同第一作者。北京大學現(xiàn)代農(nóng)學院、生命科學學院鄧興旺教授和何光明副研究員為共同通訊作者。中國農(nóng)業(yè)大學等單位也參與了該研究。該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。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22268-z