玉米基因差异表达与杂种优势的关系研究进展
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杂种优势的利用是提高农作物及品质的一个重要途径， 伴随着基因差异显示技术的发展，许多学者利用遗传群体及 其杂种中某些基因表达的广泛性和剂量效应，以确认细胞内 不同位点基因在大同小异的遗传背景下表达的情况，对杂种 优势形成的分子基础机理进行了解释。王泽立等采用近等 基因系在 RNA 水平上反映不同随机位点等位基因转录积累 的变化，对近等基因系及其杂交种个体千粒重和穗粒重的相 关分析表明，Sus1、Sh1 和 ZmSps34-3′基因在亲子代间的广泛 表达潜能表明了有效基因表达量与杂种优势的形成有着密 切关系［21］。余传元等利用 CSSL 群体研究水稻籼粳亚种间 产量性状的杂种优势，结果表明，有 14 个独立的染色体区段 在产量上存在显著的亚种间杂种优势［22］。
王新军等利用 12 个玉米自交系及其按不完全双列杂交 组配的 33 个杂交种为材料，分 4 个不同时期取杂交种及其 亲本的雌穗组织，利用差异显示技术，分析杂种与亲本的基 因差异表达类型及其 7 个主要农艺性状的杂种表现和杂种 优势的相关关系，发现在 5 种表达类型中单态表达（ 基因在 杂交种和双亲中同时表达的类型） 的数量最大，这说明杂种 优势的形成不仅与基因的表达与否相关，还与大量基因的上 调或下调表达相关［13］。雷海英等选用 8 个玉米自交系和它 们的 5 个杂交种，采用 mRNA 差异显示技术分析了杂种和亲 本之间抽穗期叶片的基因表达差异模式。在所找到的基因 差异表达的类型中，双亲表达沉默型所占的比例比较大，为 11. 79% 。 ［14］
杂种优势是指 2 个遗传组成不同的亲本杂交产生的 F1 代比双亲具有较强的生活力、生长势、适应性、抗逆性和丰产 性等表现的现象［1］。从基因组组成上看，杂交种所有基因在 双亲中都是存在的，杂种优势产生的根本原因在于基因的表 达和调控。玉米是利用杂种优势最早且最成功的作物［2 －3］。 Romagnoli 等首先研究了基因表达与玉米杂种优势的关系， 得到杂种优势的产生与杂交种中许多基因的差异表达有关 的结论［4］。随着分子生物学进入功能基因组时代，玉米基因 组草图的顺利完成，从基因表达、调控和功能水平上研究玉 米的杂种优势将成为玉米遗传育种的重要方向。从基因组 到外部表现，必须经过 DNA→mRNA→蛋白质的基因作用途 经最终对性状表达起作用，在这一过程中基因表达和调控起 了重要作用。 1 基因差异表达与杂种优势
安徽农业科学，Journal of Anhui Agri. Sci. 2010，38（ 4） ： 1769 － 1770，1861
责任编辑 胡剑胜 责任校对 傅真治
玉米基因差异表达与杂种优势的关系研究进展
黄广平，席章营* （ 河南农业大学农学院，河南郑州 450002）
摘要 综述了玉米基因的差异表达、DNA 甲基化、遗传群体等与杂种优势之间的关系等方面的研究进展。 关键词 玉米； 杂种优势； 基因表达； DNA 甲基化 中图分类号 S 513 文献标识码 A 文章编号 0517 － 6611（ 2010） 04 － 01769 － 02
一个动态的过程，其基因的表达与调控也处在一个变化的过
程中，这种变化势必影响到杂种优势的表现。人们应该从生
物体的局部与整体，生长发育与环境上系统地研究杂种优势
的形成机理。在表达水平上，进一步揭示基因表达与杂种优
势的关系，以解决特意表达或抑制的基因是什么以及为何会
影响杂种优势等问题。
研究全基因组表达模式将成为一种趋势，例如基因芯片 和 SAGE 技术将成为研究全基因组表达分析的有力手段［24］。
［4］ROMAGNOLI S，MADDALONI M，LIVINI C，et al. Relationship between gene expression and hybrid vigor in primary root tips of young maize（Zea mays L. ）plantlets［J］. Theor Appl Genet，1990，80：767 － 775.
1770
安徽农业科学
2010 年
2 DNA 甲基化与杂种优势 DNA 甲基化是生物体内普遍存在的一种基因修饰现
象。它是利用甲基转移酶的催化作用，将 S-腺苷甲硫氨酸的 甲基转移到 DNA 嘧啶或嘌呤环特定位置的生化过程。研究 发现，DNA 甲基化、去甲基化作用与基因表达调节密切相关。 关于 DNA 甲基化调控基因转录的分子机制主要有 2 种可 能： ①甲基化直接干扰了转录因子与启动子的结合。②甲基 化的 DNA 上特异结合了甲基结合蛋白（ MBD） ，进而召募了 转录抑制复合体（ 包括其抑制因子及组蛋白脱乙酰基酶等因 子） 诱发了组蛋白的脱乙酰化，导致染色体结构的变化及转 录的抑制。玉米基因组 2 500 Mb 中大约有 25% 的胞嘧啶被 甲基化。1975 年，McClintock 就提出 DNA 甲基化可能在杂 合体形成过程中发挥作用。
Cedar 的研究结果表明，基因组 DNA 甲基化程度及其分 布与基因组表达率显著相关［16］。Tsaftaris 等对 1 个玉米杂 交种及其亲本甲基化胞嘧啶（ 5-mC） 占总胞嘧啶（ 5-mC + C） 的比例分 析，发 现 2 个 亲 本 的 胞 嘧 啶 甲 基 化 比 例 分 别 为 31. 4% 和 28. 3% ，而杂交种为 27. 4% ，基因表达活性与 DNA 甲基化存在显著负相关（ r = － 0. 739） ［17］。由此认为，杂交种 DNA 甲基化降低与基因表达增强有关，与杂种优势表达有 关。以后又对玉米自交系、改良系和杂交种的基因组 DNA 甲基化程度及分布与基因表达的关系进行分析表明，杂交种 的 DNA 甲基化程度低于自交系和改良系。Xiong 等的研究 结论与 Tsaftaris 等恰恰相反，这说明在杂种优势产生过程 中，并不仅仅是一些基因表达增强是有利的，而同时某些基 因受到抑制也是有利的［18］。杂交种与亲本间不同的 DNA 甲基化模式可能是杂种优势表达的一个原因。
采用次级群体［23］研究杂种优势有其独特的优点： ①“大 同小异”的遗传背景有益于最大限度地降低基因组内庞大基
因数目的干扰。②利于选择适合的基因在 RNA 转录水平上
分析表达差异。③为图位克隆与杂种优势相关的基因提供
资讯。
4 结语
杂种优势是一种普遍而又复杂的生物学现象。生物体
的杂种优势表现在整个生长发育时期，并且生物生长发育是
基因型的杂合性即异质化是杂种优势表达的基础。大 量研究证明，存在杂种优势的杂交种所有基因均来源于 2 个 杂交亲本，杂交基因组中并没有产生新的基因，但杂交种与 亲本相比，在生活力、抗性以及产量、品质等方面明显优越。 因此，杂种在性状上不同于亲本的变化应该是在基因表达上 存在差异。
Danerval 等对 玉 米 亲 本 和 杂 交 种 蛋 白 质 数 量 多 态 性 （ PAP） 分析表明，蛋白质在表达种类上的差异与杂种优势不 相关，但蛋白质在表达数量上的差异与杂种优势显著相关， 因而推测杂种优势的差异主要与基因表达的调控过程有 关［5］。Leonardi 等推断相对少量的调节基因的表达与杂种优 势的形成有关［6］。
杂交种相对于亲本而言，基因表达存在质的差异，如特 异表达、沉默表达、显性表达等，还存在量的差异，如超亲表 达、减弱表达、趋强亲表达、趋弱亲表达等类型。正是这些基 因表达的变化导致表型的变化，引起杂种优势现象。
在 mRNA 表达水平上，就是要寻找控制重要农艺性状杂 种优势相关的 EST（ EST 数据库是发现表达基因，进行种间 序列比较和基因表达分析等最有价值的资源［15］） ，通过生物 信息学的手段进行同源比对，推测这些表达片段可能来自的 完整基因以及这些基因所控制的生物学功能和代谢功能，从 而达到深入了解杂种优势的遗传机理的目的。
基金项目 作者简介 收稿日期
河南省自然科学基金项目（ 0611031100 ） ； 河南省高等学校 青年骨干教师项目。 黄广平（ 1978 － ） ，男，河南商丘人，硕士研究生，研究方向： 玉米分子育种。* 通讯作者。 2009-10-26
位基因调控区的结构不同，也可能是不同基因转录装置的工 作效率存在差异。
［2］SHULL G H. The composition of a field of maize［J］. Am Breed Assoc， Rep，1908，4：296 － 301.
［3］BIRCHLER J A，AUGER D L，RLIDDLE N C. In search of the molecular basis of heterosis［J］. Plant Cell，2003，15：2236 － 2239.
基因组 DNA 甲基化对基因表达起着重要的调控作用， 仪治本等采用 MSAP 法对 2 个玉米杂交组合和 3 个高粱杂 交组合的研究发现，杂交种 F1 的甲基化水平低于其相应的 双亲； 杂交种与其相应亲本比较有 4 种类型的变化； F1 与其 亲本甲基化模式相同、去甲基化、超甲基化、次甲基化［19 －20］。 此现象说明 F1 基因组的杂合性与基因组 DNA 甲基化模式 的重新调整有关，DNA 甲基化是基因调控的一个组成部分， 甲基化参与了基因表达的数量调控。 3 遗传群体与杂种优势
程宁辉等以玉米和水稻为研究材料，用差异显示法研究 玉米和水百度文库幼苗期父母本与杂种间的基因表达时发现，等位 基因调控序列确实发生了明确的改变［8 －9］。倪中福等利用 mRNA 差异显示方法分析了杂种和亲本幼苗叶片基因表达 差异。结果表明，杂种与双亲间基因表达存在数量和质量水 平的差异，但以量的差异为主［10］。田曾元等对玉米穗分化 期的功能叶基因的差异显示研究表明，单亲沉默表达型与株 高呈显著相关［11］。王泽立等以自发突变体产生的籽粒大小 和穗位叶片不同的 3 对近等基因系及其杂交种为材料，研究 了 6 个基因在其叶片组织中的表达情况，以评价这些基因在 杂种优势形成中可否作为“限率性基因”模式存在。结果表 明，有些基 因 通 过 增 强 或 减 弱 表 达 在 杂 种 优 势 中 起 一 定 作用［12］。
Yang 等用 mRNA 差异显示法，分析了玉米亲本及杂交 种基因的差异表达。结果表明，亲本与杂交种的基因表达差 异主要类型有特异表达、超亲表达、减弱表达和沉默表达（ 包 括双亲沉默表达和单亲沉默表达） 。从凝胶上回收 cDNA 作 为探针与总 DNA 限制酶片段杂交，发现大多数的 mRNA 带 在亲本中为单拷贝，且双亲的带型一致［7］。这说明 F1 代同 亲本基因表达产物的差异主要在转录水平，原因可能在于等
构建代换片段单一的单片段代换系，将为其提供较高的材料
平台。
今后玉米杂种优势的研究将深入到基因的克隆、QTL 精
细定位、基因的表达与调控机制、生长发育调控与环境等方
面，以此来系统地揭示出其杂种优势的形成机制。
参考文献
［1］BIRCHLER J A，AUGER D L，RIDDLE N C. In search of the molecular basis of heterosis［J］. Plant Cell，2003，15：2236 － 2239.
Research Progress on the Relationship between the Heterosis and Genetic Differential Expression in Maize HUANG Guang-ping et al （ College of Agronomy，Henan Agricultural University，Zhengzhou，Henan 450002） AbstractThe research progresses on the relationship between the genetic differential expression，DNA methylation，genetic population and heterosis of maize were summarized. Key words Maize； Heterosis； Genetic expression； DNA methylation
王新军等利用 12 个玉米自交系及其按不完全双列杂交 组配的 33 个杂交种为材料，分 4 个不同时期取杂交种及其 亲本的雌穗组织，利用差异显示技术，分析杂种与亲本的基 因差异表达类型及其 7 个主要农艺性状的杂种表现和杂种 优势的相关关系，发现在 5 种表达类型中单态表达（ 基因在 杂交种和双亲中同时表达的类型） 的数量最大，这说明杂种 优势的形成不仅与基因的表达与否相关，还与大量基因的上 调或下调表达相关［13］。雷海英等选用 8 个玉米自交系和它 们的 5 个杂交种，采用 mRNA 差异显示技术分析了杂种和亲 本之间抽穗期叶片的基因表达差异模式。在所找到的基因 差异表达的类型中，双亲表达沉默型所占的比例比较大，为 11. 79% 。 ［14］
杂种优势是指 2 个遗传组成不同的亲本杂交产生的 F1 代比双亲具有较强的生活力、生长势、适应性、抗逆性和丰产 性等表现的现象［1］。从基因组组成上看，杂交种所有基因在 双亲中都是存在的，杂种优势产生的根本原因在于基因的表 达和调控。玉米是利用杂种优势最早且最成功的作物［2 －3］。 Romagnoli 等首先研究了基因表达与玉米杂种优势的关系， 得到杂种优势的产生与杂交种中许多基因的差异表达有关 的结论［4］。随着分子生物学进入功能基因组时代，玉米基因 组草图的顺利完成，从基因表达、调控和功能水平上研究玉 米的杂种优势将成为玉米遗传育种的重要方向。从基因组 到外部表现，必须经过 DNA→mRNA→蛋白质的基因作用途 经最终对性状表达起作用，在这一过程中基因表达和调控起 了重要作用。 1 基因差异表达与杂种优势
安徽农业科学，Journal of Anhui Agri. Sci. 2010，38（ 4） ： 1769 － 1770，1861
责任编辑 胡剑胜 责任校对 傅真治
玉米基因差异表达与杂种优势的关系研究进展
黄广平，席章营* （ 河南农业大学农学院，河南郑州 450002）
摘要 综述了玉米基因的差异表达、DNA 甲基化、遗传群体等与杂种优势之间的关系等方面的研究进展。 关键词 玉米； 杂种优势； 基因表达； DNA 甲基化 中图分类号 S 513 文献标识码 A 文章编号 0517 － 6611（ 2010） 04 － 01769 － 02
一个动态的过程，其基因的表达与调控也处在一个变化的过
程中，这种变化势必影响到杂种优势的表现。人们应该从生
物体的局部与整体，生长发育与环境上系统地研究杂种优势
的形成机理。在表达水平上，进一步揭示基因表达与杂种优
势的关系，以解决特意表达或抑制的基因是什么以及为何会
影响杂种优势等问题。
研究全基因组表达模式将成为一种趋势，例如基因芯片 和 SAGE 技术将成为研究全基因组表达分析的有力手段［24］。
［4］ROMAGNOLI S，MADDALONI M，LIVINI C，et al. Relationship between gene expression and hybrid vigor in primary root tips of young maize（Zea mays L. ）plantlets［J］. Theor Appl Genet，1990，80：767 － 775.
1770
安徽农业科学
2010 年
2 DNA 甲基化与杂种优势 DNA 甲基化是生物体内普遍存在的一种基因修饰现
象。它是利用甲基转移酶的催化作用，将 S-腺苷甲硫氨酸的 甲基转移到 DNA 嘧啶或嘌呤环特定位置的生化过程。研究 发现，DNA 甲基化、去甲基化作用与基因表达调节密切相关。 关于 DNA 甲基化调控基因转录的分子机制主要有 2 种可 能： ①甲基化直接干扰了转录因子与启动子的结合。②甲基 化的 DNA 上特异结合了甲基结合蛋白（ MBD） ，进而召募了 转录抑制复合体（ 包括其抑制因子及组蛋白脱乙酰基酶等因 子） 诱发了组蛋白的脱乙酰化，导致染色体结构的变化及转 录的抑制。玉米基因组 2 500 Mb 中大约有 25% 的胞嘧啶被 甲基化。1975 年，McClintock 就提出 DNA 甲基化可能在杂 合体形成过程中发挥作用。
Cedar 的研究结果表明，基因组 DNA 甲基化程度及其分 布与基因组表达率显著相关［16］。Tsaftaris 等对 1 个玉米杂 交种及其亲本甲基化胞嘧啶（ 5-mC） 占总胞嘧啶（ 5-mC + C） 的比例分 析，发 现 2 个 亲 本 的 胞 嘧 啶 甲 基 化 比 例 分 别 为 31. 4% 和 28. 3% ，而杂交种为 27. 4% ，基因表达活性与 DNA 甲基化存在显著负相关（ r = － 0. 739） ［17］。由此认为，杂交种 DNA 甲基化降低与基因表达增强有关，与杂种优势表达有 关。以后又对玉米自交系、改良系和杂交种的基因组 DNA 甲基化程度及分布与基因表达的关系进行分析表明，杂交种 的 DNA 甲基化程度低于自交系和改良系。Xiong 等的研究 结论与 Tsaftaris 等恰恰相反，这说明在杂种优势产生过程 中，并不仅仅是一些基因表达增强是有利的，而同时某些基 因受到抑制也是有利的［18］。杂交种与亲本间不同的 DNA 甲基化模式可能是杂种优势表达的一个原因。
采用次级群体［23］研究杂种优势有其独特的优点： ①“大 同小异”的遗传背景有益于最大限度地降低基因组内庞大基
因数目的干扰。②利于选择适合的基因在 RNA 转录水平上
分析表达差异。③为图位克隆与杂种优势相关的基因提供
资讯。
4 结语
杂种优势是一种普遍而又复杂的生物学现象。生物体
的杂种优势表现在整个生长发育时期，并且生物生长发育是
基因型的杂合性即异质化是杂种优势表达的基础。大 量研究证明，存在杂种优势的杂交种所有基因均来源于 2 个 杂交亲本，杂交基因组中并没有产生新的基因，但杂交种与 亲本相比，在生活力、抗性以及产量、品质等方面明显优越。 因此，杂种在性状上不同于亲本的变化应该是在基因表达上 存在差异。
Danerval 等对 玉 米 亲 本 和 杂 交 种 蛋 白 质 数 量 多 态 性 （ PAP） 分析表明，蛋白质在表达种类上的差异与杂种优势不 相关，但蛋白质在表达数量上的差异与杂种优势显著相关， 因而推测杂种优势的差异主要与基因表达的调控过程有 关［5］。Leonardi 等推断相对少量的调节基因的表达与杂种优 势的形成有关［6］。
杂交种相对于亲本而言，基因表达存在质的差异，如特 异表达、沉默表达、显性表达等，还存在量的差异，如超亲表 达、减弱表达、趋强亲表达、趋弱亲表达等类型。正是这些基 因表达的变化导致表型的变化，引起杂种优势现象。
在 mRNA 表达水平上，就是要寻找控制重要农艺性状杂 种优势相关的 EST（ EST 数据库是发现表达基因，进行种间 序列比较和基因表达分析等最有价值的资源［15］） ，通过生物 信息学的手段进行同源比对，推测这些表达片段可能来自的 完整基因以及这些基因所控制的生物学功能和代谢功能，从 而达到深入了解杂种优势的遗传机理的目的。
基金项目 作者简介 收稿日期
河南省自然科学基金项目（ 0611031100 ） ； 河南省高等学校 青年骨干教师项目。 黄广平（ 1978 － ） ，男，河南商丘人，硕士研究生，研究方向： 玉米分子育种。* 通讯作者。 2009-10-26
位基因调控区的结构不同，也可能是不同基因转录装置的工 作效率存在差异。
［2］SHULL G H. The composition of a field of maize［J］. Am Breed Assoc， Rep，1908，4：296 － 301.
［3］BIRCHLER J A，AUGER D L，RLIDDLE N C. In search of the molecular basis of heterosis［J］. Plant Cell，2003，15：2236 － 2239.
基因组 DNA 甲基化对基因表达起着重要的调控作用， 仪治本等采用 MSAP 法对 2 个玉米杂交组合和 3 个高粱杂 交组合的研究发现，杂交种 F1 的甲基化水平低于其相应的 双亲； 杂交种与其相应亲本比较有 4 种类型的变化； F1 与其 亲本甲基化模式相同、去甲基化、超甲基化、次甲基化［19 －20］。 此现象说明 F1 基因组的杂合性与基因组 DNA 甲基化模式 的重新调整有关，DNA 甲基化是基因调控的一个组成部分， 甲基化参与了基因表达的数量调控。 3 遗传群体与杂种优势
程宁辉等以玉米和水稻为研究材料，用差异显示法研究 玉米和水百度文库幼苗期父母本与杂种间的基因表达时发现，等位 基因调控序列确实发生了明确的改变［8 －9］。倪中福等利用 mRNA 差异显示方法分析了杂种和亲本幼苗叶片基因表达 差异。结果表明，杂种与双亲间基因表达存在数量和质量水 平的差异，但以量的差异为主［10］。田曾元等对玉米穗分化 期的功能叶基因的差异显示研究表明，单亲沉默表达型与株 高呈显著相关［11］。王泽立等以自发突变体产生的籽粒大小 和穗位叶片不同的 3 对近等基因系及其杂交种为材料，研究 了 6 个基因在其叶片组织中的表达情况，以评价这些基因在 杂种优势形成中可否作为“限率性基因”模式存在。结果表 明，有些基 因 通 过 增 强 或 减 弱 表 达 在 杂 种 优 势 中 起 一 定 作用［12］。
Yang 等用 mRNA 差异显示法，分析了玉米亲本及杂交 种基因的差异表达。结果表明，亲本与杂交种的基因表达差 异主要类型有特异表达、超亲表达、减弱表达和沉默表达（ 包 括双亲沉默表达和单亲沉默表达） 。从凝胶上回收 cDNA 作 为探针与总 DNA 限制酶片段杂交，发现大多数的 mRNA 带 在亲本中为单拷贝，且双亲的带型一致［7］。这说明 F1 代同 亲本基因表达产物的差异主要在转录水平，原因可能在于等
构建代换片段单一的单片段代换系，将为其提供较高的材料
平台。
今后玉米杂种优势的研究将深入到基因的克隆、QTL 精
细定位、基因的表达与调控机制、生长发育调控与环境等方
面，以此来系统地揭示出其杂种优势的形成机制。
参考文献
［1］BIRCHLER J A，AUGER D L，RIDDLE N C. In search of the molecular basis of heterosis［J］. Plant Cell，2003，15：2236 － 2239.
Research Progress on the Relationship between the Heterosis and Genetic Differential Expression in Maize HUANG Guang-ping et al （ College of Agronomy，Henan Agricultural University，Zhengzhou，Henan 450002） AbstractThe research progresses on the relationship between the genetic differential expression，DNA methylation，genetic population and heterosis of maize were summarized. Key words Maize； Heterosis； Genetic expression； DNA methylation