栽培稻起源与超级杂交稻产量杂种优势的基因组特征解析

为解决亚洲栽培稻(Oryza sativa)亚种起源争议及超级杂交稻杂种优势(Heterosis)的遗传机制问题，研究人员通过整合33个高质量Oryzeae基因组和39,984个基因树，结合超级杂交稻全基因组测序与转录组分析，揭示了籼稻(indica)和粳稻(japonica)的独立驯化起源，鉴定出1,383个祖先基因复制事件及非加性基因表达在杂种优势中的主导作用，为水稻育种提供了关键遗传资源。

　　

研究背景
水稻作为全球三大主粮之一，其驯化起源与产量提升机制一直是科学界争论的焦点。关于亚洲栽培稻的籼稻(indica)和粳稻(japonica)亚种，长期存在"单次驯化"与"多次独立驯化"的假说之争。与此同时，中国超级杂交稻品种如两优培九(LYP9)和Y两优900(Y900)通过利用籼粳亚种间杂种优势，实现了亩产超吨的突破，但其基因组基础尚未阐明。这些问题的解决，对理解作物进化规律和指导分子设计育种至关重要。

研究方法
贵州大学的研究团队联合国内外机构，开展了多组学整合分析：

1. 系统基因组学：基于33个稻族(Oryzeae)高质量基因组和39,984个基因树构建物种树；
2. 分子钟与Ks分析：利用54个驯化相关基因和225个单拷贝基因评估分化时间；
3. 基因复制检测：通过Tree2GD鉴定祖先节点基因复制事件；
4. 超级杂交稻基因组分析：对LYP9、Y900等5个品种及其亲本进行71.67 Gb全基因组测序；
5. 转录组与eQTL：结合RNA-seq数据鉴定非加性表达基因和调控位点。

研究结果

1. 系统基因组证据支持籼粳独立起源
通过构建包含野生稻和栽培稻的物种树，发现籼稻与野生稻O. rufipogon w1654、粳稻与O. rufipogon w1943分别形成单系群。分子钟显示两者驯化时间相近（约0.25 mya），而aus亚种分化较晚。

2. 祖先基因复制助力环境适应
在栽培稻最近共同祖先(MRCA)节点鉴定到1,383个基因复制事件，其中96.46%呈ABAB拓扑结构，排除了杂交起源可能。这些基因富集于错配修复(ko03430)和MAPK信号通路(ko04011)，可能与适应性进化相关。

3. 超级杂交稻的正选择特征
五组杂交稻品种中，母本基因组贡献比例普遍更高（M/S>1）。XLY900携带268个新生SNP，其耐盐基因OsRBD1在eQTL分析中显示强关联，印证了该品种的盐碱地适应性。

4. 非加性表达主导杂种优势
LYP9、Y900和XLY900的转录组显示，约75%差异表达基因为非加性模式，包括DNA修复相关基因。eQTL分析发现Y900和XLY900共享同源重组(ko03440)通路，可能是抗逆性提升的关键。

结论与意义
该研究通过跨组学分析，首次在基因组尺度证实籼粳稻独立驯化假说，揭示了祖先基因复制和现代育种中籼粳基因渗入的共同作用。发现的OsRBD1等关键基因及非加性表达模式，为杂种优势利用提供了分子靶点。论文发表于《BMC Biology》，其建立的系统基因组框架和遗传资源库，将推动水稻精准育种技术的革新。