北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院/生命科學(xué)學(xué)院鄧興旺實(shí)驗(yàn)室何光明課題組揭示植物抗病-生長(zhǎng)雜種優(yōu)勢(shì)平衡調(diào)控的分子機(jī)制

　　雜種優(yōu)勢(shì)（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(dòng)植物良種培育和農(nóng)作物增產(chǎn)中起到非常重要的作用。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(shì)，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(shì)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(huì)帶來(lái)生長(zhǎng)的嚴(yán)重?fù)p失。目前為止，尚不清楚雜交F1能否協(xié)調(diào)抗病和生長(zhǎng)兩種雜種優(yōu)勢(shì)？如果可以，那么平衡兩種雜種優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵因子和協(xié)調(diào)機(jī)制又是什么？

 

　　2021年4月19日，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院與生命科學(xué)學(xué)院鄧興旺教授實(shí)驗(yàn)室何光明副研究員課題組在《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(shì)并同時(shí)顯著提高其生物量雜種優(yōu)勢(shì)的分子機(jī)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(dá)，從而調(diào)控水楊酸合成基因超高親激活，最終促進(jìn)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(shì)。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(dá)，從而解除其對(duì)下游生長(zhǎng)相關(guān)基因的抑制，使雜交F1具有更強(qiáng)的光合作用和淀粉利用效率，表現(xiàn)出顯著的生長(zhǎng)雜種優(yōu)勢(shì)。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(shì)，可以有效避免雜交F1由于持續(xù)激活免疫反應(yīng)所帶來(lái)的生長(zhǎng)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(jìn)雜交F1的生長(zhǎng)，從而更有效地彌補(bǔ)了雜交F1中強(qiáng)抗病反應(yīng)帶來(lái)的生長(zhǎng)損失，最終使得雜交F1展現(xiàn)出顯著的抗性-生長(zhǎng)兩方面雜種優(yōu)勢(shì)。該研究不僅擴(kuò)展了人們對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)形成機(jī)制的認(rèn)知，同時(shí)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(guò)時(shí)間策略平衡且同時(shí)提高雜交F1抗病-生長(zhǎng)雜種優(yōu)勢(shì)的分子機(jī)制

 

　　北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院已出站博士后、現(xiàn)中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院楊麗教授和北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院在讀博士生劉鵬濤為該論文的共同第一作者。鄧興旺和何光明為共同通訊作者。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位也參與了該研究。這項(xiàng)研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、蛋白質(zhì)與植物基因研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及北京大學(xué)-清華大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心的資助。