MBE | 华中农大严建兵教授团队在杂种优势可塑性和适应性研究方面取得新进展

核心提示：近日，华中农业大学玉米团队严建兵教授、肖英杰副教授和福建农林大学刘楠楠博士联合在Molecular Biology and Evolution杂志发表研究论文“Phenotypic plasticity contributes to maize adaptation and heterosis”，揭示了玉米在不同环境下的响应模式，即玉米的表型可塑性，并进一步发现可塑性有助于玉米的适应性和杂种优势，这为多变环境下玉米育种提供重要参考。

植物的表型可塑性描述个体在不同环境中生长时表型的改变。在作物的改良过程中，为获得稳定的高产优良品种，育种家通常会降低可塑性。但充分利用表型的可塑性将在有利或者不利的环境条件下优化作物的表型。然而目前可塑性的相关研究较少。

该研究通过对一个约包含1000个F1的群体11个环境下12个性状的表型分析（图1），发现个体表型的可塑性普遍存在，群体水平表型变异仅30.8%可被遗传效应解释，不同性状的可塑性模式不同，例如玉米的开花期不同环境下较少发生交叉变化，而个体间株高更容易发生交叉，相应的，玉米的开花期可塑性相对较低，株高的可塑性较高。

图1 玉米杂交种12个性状的表型可塑性

进一步，我们鉴定到了454个影响玉米表型遗传值和线性可塑性的遗传位点（图2）。发现与控制表型遗传值的QTL相比，控制可塑性的QTL为微效多基因。另外，不同环境下大部分性状的表型变化主要是由于QTL效应值大小的改变，仅穗重和穗下茎节数的表型是因为QTL效应方向的改变而导致。

图2 玉米遗传值和表型可塑性的遗传机制

由于我们的杂交群体由包含488个热带和亚热带等亚群的自交系分别与两个优良自交系Zheng58和Mo7杂交而成，这为我们研究表型遗传值和可塑性在玉米进化适应中的作用提供了基础（图3）。发现相较于我们广泛认识的遗传值参与玉米由热带到温带的适应，如控制开花期的很多基因ZmCCT9, ZmCCT10 和 ZCN8，表型的可塑性在玉米环境适应过程中也受到了选择。

图3 适应性相关性状的基因组受选择区域

另外，类似遗传值的杂种优势，F1个体的表型可塑性与亲本有显著差异，称之为表型可塑性的杂种优势，杂交能很大程度重塑表型可塑性，提高植物对环境的动态响应（图4）。基于我们鉴定到的影响表型可塑性的QTL，我们认为优良基因型的显性模型能更好的解释杂交种的表型变异。这表明通过杂交使优良基因聚合可控制杂交种的表型可塑性大小。

图4 玉米表型可塑性杂种优势的遗传机制

福建农林大学刘楠楠博士为本论文第一作者，华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室严建兵教授和肖英杰副教授为通讯作者。另外，美国农业部农业研究院Marilyn L. Warburton博士和华中农业大学博士生杜沅昊也参与了该工作。同时也对早期数据收集的所有参与者表示感谢。该研究受到十三五国家重点研发计划、国家自然科学基金重大项目和中央高校基本科研业务费专项资金资助。

原文链接:

https://doi.org/10.1093/molbev/msaa283