杂种优势是指杂交子代在生长势、生活力、繁殖力、抗逆性以及产量和品质等方面表现出优于双亲的特性，是生物界普遍存在的一种遗传现象。在农业生产中，利用杂种优势可以培育出更高产、更优质的农作物品种，为保障粮食安全和促进农业发展发挥重要作用。2024年10月5日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所（基因组所）黄三文、张春芝课题组联合华中农业大学杨万能课题组在Nature Communications期刊上发表了题为“Integrative multi-omics analysis reveals genetic and heterotic contributions to male fertility and yield in potato”的研究论文，通过对二倍体杂交马铃薯“优薯1号”F2群体的大规模遗传与多组学分析，解析了其产量与育性杂种优势产生的遗传机理，克隆了对马铃薯育性杂种优势具有重要作用的显性效应基因PV1，为马铃薯杂交育种提供了宝贵的遗传资源。
在前期研究中，黄三文团队已经建立了二倍体马铃薯杂种优势利用育种体系[1,2]，但是杂种优势形成的遗传机制尚不清楚。在该研究中，作者对杂种优势显著的二倍体杂交种“优薯1号”进行自交，创制了一份包含1064个单株的F2分离群体，可通过组培长期保存，并进行多年多点重复评价，该群体是研究马铃薯杂种优势机理的理想群体。作者首先广泛调查了该群体的多组学性状，包括人工调查的产量相关性状（株高、块茎大小、块茎数量等）、基于表型组学技术采集的性状（块茎高光谱、结构光等）以及块茎转录组与代谢组共20,382个性状。通过遗传与多组学分析，鉴定到25,770个QTL，并构建了马铃薯系统遗传学（Systems Genetics）调控网络。利用该网络，作者快速高效地鉴定到调控该群体块茎茄碱积累的转录因子GAME9，证明了这套遗传网络在马铃薯基因挖掘方面的潜力。随后，对鉴定到的所有QTL进行杂种优势效应分析发现，育性/块茎产量与代谢物含量呈现出相反的遗传效应。控制产量和花粉育性的QTL主要呈现显性效应，即杂交种的表现优于中亲值（图2a–c），而控制块茎代谢物含量的QTL（mQTL）主要呈现隐性效应，即杂交种中的含量低于中亲值（图2d）。进一步研究发现块茎中淀粉（主要的大分子干物质）含量与超过80%的小分子代谢物呈显著负相关（图2e），将淀粉作为表型检测时，表现为正向杂种优势效应（显性/超显性）的mQTLs比例显著提高，这一现象可能与杂交种对资源/能量的高效或偏好利用有关。此外，作者还克隆了一个具有显性杂种优势效应的PV1基因，该基因能够赋予杂交种更好的花粉活力以及结实率。
综上所述，该研究通过大规模的遗传与杂种优势分析，阐明了二倍体马铃薯杂交种“优薯1号”杂种优势的遗传机理，为马铃薯功能基因挖掘与杂交育种奠定了坚实的基础。基因组所博士后李大伟、华中农业大学博士生耿泽栋为该论文的共同第一作者，基因组所黄三文院士、张春芝研究员、华中农业大学杨万能教授为该论文的通讯作者。该研究得到了广东省基础与应用基础研究重大项目、国家自然科学基金、中国农科院科技创新工程、博士后创新人才支持计划等项目资助。[1] Zhang, C., Yang, Z., Tang D., Zhu, Y., Wang, P., Li, D., … & Huang S. (2021). Genome design of hybrid potato. Cell, 184, 3873-3883.e12.[2] Li, D., Lu, X., Zhu, Y., Pan, J., Zhou, S., … & Huang S., Zhang. C. (2022). The multi-omics basis of potato heterosis. Journal of Integrative Plant Biology, 64(3), 671-687.
