微生物所白逢彥課題組揭示釀酒酵母雜交優勢的分子機制

雜交優勢是常見的生物學現象，並被廣泛應用於動、植物和食用菌育種中，為全球農牧業的持續增產做出了巨大貢獻。雜交優勢也一直是科學研究的重大課題，自從達爾文最早觀察到這一現象之後，對雜交優勢遺傳和分子機制的研究已經持續了近一個半世紀，提出了各種不同的假說，包括顯性（dominance）、超顯性（overdominance）和上位顯性（epistasis）等，每一假說都有各自的實驗證據支援。為統一不同的假說和觀點，有人提出了能量利用效率假說，但這一假說僅限於理論推斷，尚缺乏實驗證據支援。

釀酒酵母（

Saccharomyces cerevisiae

）作為最常用的模式真核生物，也越來越多地被應用於雜交優勢的遺傳和分子機制研究中，但不同的研究得出的結論不同。中國科學院微生物研究所真菌學國家重點實驗室白逢彥團隊前期的研究發現釀酒酵母的野生群體均是純合體，而來自發酵環境的馴養群體均是雜合體。馴養群體的發酵和抗逆能力均顯著提高，說明馴養群體可能起源於由野生菌株雜交形成的雜合體祖先，從而獲得了雜交優勢。為了驗證野生菌株雜交能否產生雜交優勢，並揭示雜交優勢的分子機制，本研究獲得了640多株由具有不同遺傳距離的野生菌株雜交形成的雜合子，發現在40°C下，絕大多數雜合子表現出顯著的雜交優勢，只有很少數表現為雜交劣勢。雜交優勢隨親本遺傳距離的增加而增加，但超過一定距離後，呈現下降的趨勢，說明存在一個產生雜交優勢的最適雙親遺傳距離（圖1）。

圖1。野生釀酒酵母F1代雜合子40°C下生長的雜交優勢（A， B）和雜交優勢與雙親遺傳距離的關係（C）。

代表雜合子和親本的轉錄組分析顯示，非疊加基因（NAG）的數量相對於疊加基因（NA）雖然很少，但在優勢和劣勢雜合子間存在顯著差異，在優勢雜合子中表達水平被上調的NAG，在劣勢雜合子中被下調，反之亦然（圖2）。在優勢雜合子中被下調的NAG數量顯著高於被上調的NAG數量，但在劣勢雜合子中則相反。說明這些NAG與雜交優勢有關。

圖2。釀酒酵母野生菌株雜合子在40°C下生長時非疊加基因的表達水平（A），GO富集分析（B， D）和富集通路網路（C，E）。

GO和KEGG分析發現，在優勢雜合子中被下調而在劣勢雜合子中被上調的NAG多被富集在與脅迫反應、DNA修復和蛋白質質量控制等相關的通路中，說明劣勢雜合子需要更多地應對因高溫脅迫而引起的DNA損傷和蛋白質合成與摺疊錯誤等，而高溫並未對優勢雜合子造成這些損害。在優勢雜合子中被上調而在劣勢雜合子中被下調的NAG多被富集在一碳代謝和相關通路中（圖2）。這些通路與NADPH生成和還原態維持相關，說明雜交優勢菌株可更高效地應對高溫引起的氧化壓力，而劣勢菌株則否。

ROS水平測試證實，優勢雜合子細胞內的ROS顯著低於劣勢雜合子和親本。敲除一碳代謝通路中的關鍵基因

ADE3

或

MTD1

，均可以導致優勢雜合子在40°C下細胞ROS水平和NADP+/NADPH比率的顯著升高和生長能力的顯著降低。加入ROS清除劑N-乙醯-L-半胱氨酸，則可以恢復敲除株在40°C下的生長能力，也可促進劣勢雜合子和親本菌株的生長能力，而對優勢雜合子野生型則無影響，甚至有負作用（圖3）。說明應對氧化壓力效率的差異是引起優勢和劣勢雜合子及其親本菌株在高溫下生長能力差異的關鍵因素。

圖3。

ADE3

基因敲除對雜合子在40°C下的生長能力（A， B）和胞內氧化壓力（C）的影響。

總之，本研究顯示，具有合適遺傳距離的野生釀酒酵母菌株雜交可產生顯著的雜交優勢，優勢雜合子可更高效地調控基因表達，在高溫脅迫下可透過上調一碳代謝為中心的相關代謝通路，有效地維持細胞氧化還原穩態，從而維持細胞的正常生長。與親本和劣勢雜合子相比，優勢雜合子由於不需要上調大量基因以應對DNA和蛋白質損傷及氧化脅迫帶來的其他損傷，也表現出更高的能量利用效率。本研究揭示了釀酒酵母雜交優勢和高溫耐受的新的分子機制，也為動植物雜交優勢分子機制的研究提供了新的啟示和線索。

本研究以“

Improvedredox homeostasis owing to the upregulation of one-carbon metabolism andrelated pathways is crucial for yeast heterosis at high temperature

”

為題，於2021年4月1日正式發表在

Genome Research

上。論文共同第一作者為本所博士研究生宋亮和史軍豔，通訊作者為白逢彥研究員。本研究得到了中國科學院前沿科學重點研究專案和科技部國際合作專案的資助。

原文連結：

https：//genome。cshlp。org/content/31/4/622。full。pdf+html