雜種優勢是指不同遺傳背景的兩個親本雜交產生的子一代（雜交F1、雜交種）在生物量、產量等多方面表現優於雙親的現象，一些主要農作物雜交種的推廣使用為世界糧食安全保障作出了重要貢獻。然而，雖然經過多年的廣泛研究，雜種優勢產生的遺傳機理、特別是分子機制迄今依然還不十分清楚，從而限制了該現象在農業生產中的深入利用。
2021年4月13日，北京大學現代農學院與生命科學學院鄧興旺實驗室何光明課題組在《美國科學院院刊》（PNAS）上以Article的形式線上發表題為“Biological pathway expression complementation contributes to biomass heterosis in Arabidopsis”的研究論文，揭示了生物學通路的表達互補調控擬南芥生物量雜種優勢的形成。
植物雜種優勢往往最明顯地表現在生長或生物量上。在植物幼苗生長階段，地上部分生物量的雜種優勢主要體現在：與親本相比，雜交F1具有更强的生長勢，生長速率更快，在相同時間內能够積累更多的生物量。課題組前期對200個擬南芥雜交組合的雜種優勢進行了評測，其中Col-0×Per-1雜交F1表現出最强的生物量雜種優勢（Yang et al.，2017，PNAS）。為了深入解析該雜交組合雜種優勢形成的分子機制，本研究對該雜交組合的雜交F1及其親本進行了幼苗發育過程中高分辯率時序動態生長錶型及轉錄組圖譜的測定和綜合分析。通過加權基因共表達網絡分析（WGCNA）發現，雖然親本和F1之間基因調控網絡總體相對保守，但覈心調控網絡卻表現出明顯差异。值得注意的是，網絡覈心基因所富集到的兩個生物學通路（細胞週期和光合作用）在兩個親本之間呈現相反的表達模式，即細胞週期通路的覈心基因在一個親本Col-0中表達水准較高，而光合作用通路的覈心基因則在另一個親本Per-1中表達水准較高。令人感興趣的是，在幼苗發育過程中，這兩個通路的覈心基因在雜交F1中表現為時空上顯性互補的高親表達模式。該結果暗示，雜交子一代可通過綜合兩個親本分別在細胞分裂和光合作用這兩個對植物生長發育至關重要的生物學通路活力上的優勢從而獲得强於兩個親本的生長優勢。該發現對農作物雜交育種具有指導性意義。
光合作用和細胞週期通路關鍵基因的高親顯性表達互補調控幼苗生長雜種優勢
該研究由北京大學現代農學院與生命科學學院完成，現代農學院博士生劉文文為論文第一作者，鄧興旺教授和何光明副研究員為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室以及北大-清華生命科學聯合中心的資助。