玉米NCII育种群体杂种优势的遗传架构解析

《Journal of Advanced Research》：Genetic architecture of heterosis in maize NCII breeding populations

　　

： 尽管杂种优势在现代育种中广泛应用，但其遗传机制仍不完全清楚。本研究旨在解析玉米杂种优势的遗传基础。研究人员分析了2023年玉米NCII育种群体中7个农艺性状的4个杂种优势指数，并与36,671,063个遗传标记进行关联分析。通过多组学整合和单倍型分析，鉴定出119个候选基因，其中101个在2019年和2023年NCII群体中均表现出一致且显著的单倍型-杂种优势关联。重点突出了5个高置信度基因，包括HDA108、MADS3和Zm00001eb080510，这些基因在多个环境和群体中重复检测到。表达基因组关联分析（eGWAS）将已知的杂种优势相关基因ZAR1、bZIP29和ACCO2分别关联到1个、2个和2个候选基因。5个候选基因在连锁不平衡窗口（2.60至8.63 kb）内显示eQTL与杂种优势相关数量性状核苷酸（QTN）的共定位。利用图神经网络框架整合多维网络，鉴定出6个枢纽基因，包括HDA108（度=224）。值得注意的是，亲本系的互补遗传背景使杂交后代能够更完整地发挥基因功能。候选基因在F1杂交种（98个）中的单倍型-性状关联显著性强于亲本系（35个），且97个候选基因在亲本群体间显示出显著的等位基因频率分化（固定指数Fst> 0.2）。优势单倍型数量与两个群体中的最佳亲本杂种优势和平均亲本杂种优势均呈显著相关。这些发现表明，杂种优势相关基因在杂交种中发挥的功能效应强于自交亲本，从而增强后代的性状表现。此外，优势单倍型数量的变异直接导致了杂交种间杂种优势的差异。所有杂种优势相关的QTN主要通过上位性互作影响性状表型，这成为杂种优势的主要遗传驱动力。本研究鉴定了一些新的候选基因，阐明了一些杂种优势的关键遗传机制，为精准杂交育种提供了有价值的见解和资源。

研究背景与意义：

杂种优势是指杂交后代在生长势、抗逆性和产量等方面优于双亲的现象，是作物改良的核心策略之一。过去一个世纪，杂种优势在提高作物生产力和保障全球粮食安全方面发挥了关键作用。玉米是最早利用杂种优势的作物之一，通过自交系间的控制杂交产生F₁杂交种实现。然而，尽管杂种优势在现代育种项目中广泛应用，其潜在的遗传机制仍不清楚。三个经典的遗传假说被提出来解释杂种优势：显性假说、超显性假说和上位性假说。大规模全基因组关联研究（GWAS）和多环境表型分析表明，非加性效应（如上位性互作）和环境依赖性在杂交活力形成中起主导作用。基因组研究揭示，杂种优势源于亲本基因组间的等位基因互作、亲本遗传互补、稀有有利等位基因的渐渗以及具有组织特异性显性效应的动态等位基因特异性表达模式。尽管在理解杂种优势机制方面取得了重大进展，但仍存在关键空白，杂种优势的理论基础尚未完全明确。虽然许多杂种优势位点已被定位，但由于杂种优势的复杂性和种质的遗传背景，经过功能验证的杂种优势相关基因数量有限，例如水稻中的RH8、S5和OsMADS1，玉米中的ZAR1、ACCO2、ZmCCA1和bZIP29。已验证基因的有限数量限制了我们的机制理解和育种应用，因为杂种优势的多基因性质可能涉及众多基因的协调作用，这可能受益于多组学数据。因此，解析杂种优势的遗传架构对于理解其分子机制和推动精准育种至关重要。

研究方法：

为探究玉米杂种优势的遗传基础，研究人员构建了2023年玉米NCII育种群体（由55个父本系、10个母本系及其550个F₁杂交种组成）和2019年玉米NCII育种群体（由8个父本系、89个母本系及其712个F₁杂交种组成）。对这两个群体的亲本系和杂交种进行了多个环境下的农艺性状测定，计算了最佳亲本杂种优势（BPH）、平均亲本杂种优势（MPH）、一般配合力（GCA）和特殊配合力（SCA）。利用36,671,063个高质量遗传标记进行全基因组关联分析（GWAS），采用Fast3VmrMLM方法检测与杂种优势指标显著相关的数量性状核苷酸（QTN）。通过转录组分析、同源基因比对、基因本体（GO）注释和单倍型分析筛选候选基因。进一步整合表达数量性状位点（eQTL）定位、加权基因共表达网络分析（WGCNA）、蛋白质-蛋白质互作（PPI）预测和上位性遗传网络分析，构建多维基因网络。利用图神经网络框架整合这些网络，识别调控杂种优势的枢纽基因。此外，还进行了上位性互作分析、遗传方差估计和优势单倍型积累分析，以全面解析杂种优势的遗传机制。

研究结果：

1. 1.
   杂种优势相关基因的遗传架构与鉴定
   2023年NCII群体中分析的7个农艺性状（株高、穗位高、行粒数、百粒重、穗粗和小区产量）均表现出显著的杂种优势。通过GWAS共检测到671个显著QTN和28个提示性QTN，去除重复后保留690个独特QTN，其中37.24%位于基因区域内，4.20%位于启动子区域。与GCA相关的QTN主要表现为加性效应，而与SCA相关的QTN则富含超显性等位基因。MPH和BPH相关的QTN中，超显性QTN分别占55.37%和53.21%，而加性和部分显性QTN分别占24.76%-29.64%和9.64%-11.73%。不同性状的遗传架构存在差异，例如百粒重相关的MPH和BPH中，加性和部分显性QTN的比例显著高于超显性QTN。群体分化分析显示，15.6%的杂种优势相关QTN在父本和母本群体间存在强烈的等位基因频率分化（固定指数F_st> 0.2）。通过多组学整合和单倍型分析，最终鉴定出119个可能参与杂种优势解析的候选基因。
2. 2.
   候选基因的表达基因组关联分析整合
   对113个候选基因和4个已知杂种优势相关基因进行表达基因组关联分析（eGWAS）。结果显示，5个候选杂种优势相关基因位于与已知杂种优势相关基因ZAR1、bZIP29和ACCO2表达相关的eQTL附近。具体而言，1个候选基因与ZAR1相关，2个与bZIP29相关，2个与ACCO2相关。此外，5个候选基因的eQTL与杂种优势相关QTN在同一连锁不平衡窗口内共定位，物理距离范围为2.60至8.63 kb，暗示可能存在共享的遗传变异。这些结果揭示了候选基因与已知杂种优势相关基因之间潜在的顺式调控互作，增强了候选基因的可信度。
3. 3.
   图神经网络整合多维网络
   为识别杂种优势相关基因和基因间互作，研究人员通过三种互补方法整合了多组学网络。首先，整合eGWAS和WGCNA，得到一个包含1,694个基因对的显著共表达网络。其次，将所有检测到的杂种优势相关QTN纳入全上位性模型，以检测高置信度的QTN-by-QTN互作（QQI），利用经验贝叶斯估计和Wald检验识别出25个显著的涉及21个候选基因的上位性互作。最后，利用STRING数据库对119个候选基因和检测到的QTN附近的基因进行PPI预测，得到1,219个预测的PPI对。利用图神经网络框架整合这三个网络，通过Node2Vec嵌入捕获拓扑模式，并在PyTorch Geometric中用自定义图注意力网络实现的集成学习框架中整合边特征。使用Louvain社区检测和基于L2的模块重要性排序，可重复地识别出31个模块，包含1,046个节点和2,088条边。结果网络中的所有基因均与杂种优势相关。“蓝色”模块被确定为最重要的模块，并在五个关键生物学通路中表现出强烈富集：α-亚麻酸代谢、甘油脂代谢、氨酰-tRNA生物合成、植物激素信号转导和糖基磷脂酰肌醇锚定生物合成。此外，还鉴定出6个度超过75的枢纽基因，包括HDA108，表明这些基因可能在网络中影响杂种优势方面发挥核心作用。
4. 4.
   2019年和2023年NCII群体中单倍型-杂种优势关联的验证
   为支持2023年NCII群体中鉴定的单倍型-杂种优势关联，研究人员在包含712个杂交种的2019年NCII群体中进行了119个候选杂种优势基因的单倍型分析。结果显示，101个候选基因表现出显著关联，平均决定系数r²为1.90%（范围从0.066%到17.646%）。其中，9个候选基因对应于先前报道的性状相关基因；92个在亲本和杂交种间显著差异表达；6个是水稻中已知性状相关基因的同源基因；候选基因Zm00001eb215710的eQTL与MPH的QTL共定位；5个被确定为整合网络中的枢纽基因；9个被预测与已知杂种优势基因互作。总体而言，101个候选基因的单倍型-杂种优势关联在两个群体中均表现出一致的稳健性。

讨论与结论：

讨论部分指出，本研究采用玉米NCII群体解析杂种优势的遗传架构，分析源自7个农艺性状的4个杂种优势指标。NCII设计因其能提供比F₂群体更广泛的遗传多样性和更实用的育种指导而被选用。结果显示，加性效应主要在GCA相关QTN中富集，而超显性效应主要与SCA相关，这与经典的杂种优势遗传模型一致。通过整合单倍型分析、差异表达筛选、GO注释、已知水稻基因同源性分析和文献挖掘，鉴定出119个位于杂种优势相关QTN附近的候选基因可能贡献于杂种优势。其中，97个候选基因在亲本群体间表现出显著的等位基因频率分化，101个在2019年NCII群体中通过单倍型-杂种优势关联分析得到进一步验证。通过在图神经网络框架内整合共表达、上位性（QQI）和PPI网络，研究人员鉴定出一个高度显著的“蓝色”模块、6个枢纽基因（包括HDA108）以及9个被预测与玉米中4个先前报道的杂种优势相关基因互作的候选基因。基于多证据支持，研究人员优先确定了5个高置信度的杂种优势候选基因：Zm00001eb080510、Zm00001eb177560（HDA108）、Zm00001eb215710、Zm00001eb298680（MADS3）和Zm00001eb366090（ZmGA20ox5）。这些基因在功能注释、差异表达、网络枢纽地位、与已知杂种优势基因的互作以及跨群体稳健的单倍型-杂种优势关联方面均得到支持。

结论部分总结：本研究鉴定出的119个候选基因中，101个在2019年和2023年NCII育种群体中显示出稳健的单倍型-杂种优势关联；5个被优先确定并具有相当充分的证据，其中3个在多个环境和群体中被检测到，包括HDA108、MADS3和Zm00001eb080510。杂种优势相关基因在后代中发挥的作用大于在亲本中的作用，导致后代性状表型优于亲本，并且后代中更多的优势单倍型导致更强的杂种优势，这部分验证了这些杂种优势基因并解释了杂种优势的遗传基础。101个候选基因中的97个在亲本群体间显示出遗传多样性（固定指数F_st> 0.2），加上后代中更多的单倍型-性状关联，表明互补背景使后代能够更充分地发挥基因功能。此外，杂种优势相关QTN主要通过上位性互作影响性状和杂种优势表现。