雜交育種技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。這一技術(shù)通過引入遺傳關(guān)系較遠(yuǎn)的親本開展雜交，在雜交后代中實現(xiàn)優(yōu)于親本的生產(chǎn)性能。然而，雜種優(yōu)勢的遺傳機(jī)制復(fù)雜，優(yōu)勢預(yù)測是亟待突破的技術(shù)。同時，雜交育種需要克服和排除雜種劣勢的影響。
動物細(xì)胞中的線粒體DNA（mtDNA）和核基因組遵循不同的遺傳模式。線粒體與細(xì)胞核之間的相互作用是維持線粒體功能的關(guān)鍵。遠(yuǎn)緣物種之間的雜交干擾雜交子代中mtDNA與核基因組之間的相互作用，影響線粒體電子傳遞呼吸鏈的組裝與功能，導(dǎo)致繁殖力、生產(chǎn)性能、生長發(fā)育、環(huán)境適應(yīng)能力下降等雜交劣勢現(xiàn)象，表現(xiàn)為核質(zhì)不兼容。目前，協(xié)調(diào)雜交后代的mtDNA與核基因組之間的匹配是進(jìn)化生物學(xué)研究領(lǐng)域的熱點。
中國科學(xué)院院士、昆明動物研究所研究員張亞平團(tuán)隊聯(lián)合國內(nèi)外畜牧研究團(tuán)隊，選取家牛雜交育種廣泛采用的普通牛和瘤牛雜交體系為研究對象，以核質(zhì)互作為切入視角，分析了近1000份家牛基因組數(shù)據(jù)，揭示了雜交群體中mtDNA與核基因組相互作用的動態(tài)規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，在非洲雜交家牛群體中，mtDNA全部來自普通牛，核基因組主要來自瘤牛，表現(xiàn)為mtDNA與核基因組明顯不匹配。研究顯示，選擇作用不斷清除非洲家牛核基因組中的普通牛組分，增加了mtDNA與核基因組之間不匹配程度，減弱了核質(zhì)互作，或?qū)€粒體的組裝與功能產(chǎn)生不利影響。同時，研究發(fā)現(xiàn)，選擇作用通過富集瘤牛組分，影響線粒體相關(guān)的基因表達(dá)，提升線粒體拷貝數(shù)，改善線粒體功能并緩解和補(bǔ)償削弱的線粒體-細(xì)胞核相互作用。
該研究提出了核質(zhì)互作進(jìn)化中通過改變線粒體數(shù)量的新型核基因補(bǔ)償機(jī)制，表明mtDNA拷貝數(shù)可作為預(yù)測雜交優(yōu)勢或劣勢的新型分子標(biāo)記。
相關(guān)研究成果以Selection increases mitonuclear DNA discordance but reconciles incompatibility in African cattle為題，發(fā)表在《分子生物學(xué)與進(jìn)化》（Molecular Biology and Evolution）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、科學(xué)技術(shù)部和中國科學(xué)院的支持。
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核補(bǔ)償機(jī)制通過調(diào)控核基因的表達(dá)水平緩解核質(zhì)不相容
家牛群體mtDNA拷貝數(shù)的動態(tài)變化規(guī)律，可作為雜種優(yōu)勢預(yù)測的新型分子標(biāo)記
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