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田大成教授课题组在《Plant Physiology》发表水稻杂种优势分子机制相关最新成果
发布日期:2016-08-26    浏览次数:2000次    关键词:

    南京大学生命科学学院田大成、杨四海教授课题组在杂种优势的分子机制研究方面取得重要进展,相关研究成果“Dissimilar manifestation of heterosis in super hybrid rice at early-tillering stage under nutrient-deficient and nutrient-sufficient condition”在线发表于植物学领域重要期刊《Plant Physiology》。博士生顾龙江、吴莹是论文的共同第一作者,田大成、杨四海教授为该论文的共同通讯作者。

    杂种优势是一种极为常见且极为复杂的生物学现象,它早在几百年以前就已经被人们应用到农业生产中,并产生了巨大的经济价值。然而,时至今日,杂种优势的遗传机理依然不清。目前的研究主要集中在检测杂交子代与父母双亲中的差异表达的基因,以期望能够从基因表达层面上对杂种优势做出合理的解释。然而,由于基因表达差异“背景噪音”太大的缘故,导致鉴定出的候选基因数量过多,给杂种优势分子机制层面的研究带来了很大的困难。因此,如何有效排除那些和杂种优势无关的差异表达基因(“背景噪音”基因)就成为杂种优势分子机制研究的关键。

    针对以上困境,课题组精心设计了如下实验:即在某种可控的实验条件下,使杂种个体表现不出杂种的优势,然后以此材料作为参照,与正常的杂种优势表现明显的个体进行比较,从而达到去除“背景噪音”的目的。实验最终选取肥料作为控制因素,成功的实行了这一目的。本研究结果显示,当不使用阴性对照组时,共鉴定出1605个差异表达基因,这与前人鉴定的2000至3000个差异表达基因数量基本接近;但采用阴性对照组处理后,仅336个与杂种优势有关的差异表达基因被保留,充分说明本实验设计排除背景差异表达基因的高效性与以往的研究相比,差异表达基因数目大大减少,大大提高了杂种优势分子机制研究的可靠性。同时,研究还发现,在杂交子代中特异性高表达的基因显著地富集着跟生物体代谢、光合作用、以及离子转运有关的功能基因;而在杂交子代中特异性低表达的基因中,则显著地富集着跟植株的抗病虫害,抗干旱等抗逆性有关的功能。这暗示着,杂交子代一方面能通过激活生物体的代谢活性以及加强光合作用,进而提升生物体的生长力;另一方面,杂交子代通过特定基因互作,特异性地降低与抗逆性有关基因的表达,以避免这类基因的表达给植株带来的适应性代价。而这种通过特定的基因组合,降低植株适应性代价,从而提高植株杂种优势的分子机制往往被研究者们所忽视。

    该研究得到国家转基因生物新品种培育重大专项(No. 2016zx08009001-003)、国家自然科学基金项目(No.31571267和No.31570368、中央高校基础科研经费的支持。该研究的顺利实施,也得到南京大学仙林校区作物分子遗传实验站的支持。

文章链接:http://www.plantphysiol.org/content/early/2016/08/18/pp.16.00579.abstract

 

Fig.1 施肥与未施肥处理下杂交子代表现出不同的生长优势

A. 不同条件下杂交子代的生长优势;B为平均株高测量值;C为平均根鲜重测量值;D为平均根干重测量值;E以未施肥的杂交子代为阴性对照,可有效排除背景差异表达基因。

 

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