杂种优势是指杂种后代的生长或适合度优于亲本一方或双亲，利用杂种优势可提高玉米(Zea mays)的产量和品质，玉米杂交种在糖含量、株高、生物量和籽粒产量等许多性状上表现出非凡的杂种优势，是研究杂种优势的优良模式植物。

蛋白质和小分子代谢物作为基因表达调控过程的最终产物，直接影响植物细胞的结构和代谢，形成包括杂种优势在内的植物表型。已有研究表明，生物钟通过转录组控制着植物和动物的生长发育，它们被转导成各种信号参与调控相关通路中的蛋白质节律并进一步引起代谢物振荡，但生物钟对蛋白质和代谢节律中的调节作用有待进一步检测。

这项研究旨在探索玉米杂交种相对于其亲本近交系的代谢组和蛋白质组的时间调节。研究以玉米自交系B73和Mo17、它们的F1杂交种(B73XMo17, BM)和互交杂交种Mo17XB73 (MB)为材料，每3 h进行3次生物重复，在1个周期内检测其幼苗代谢产物(DAP)水平。研究结果显示玉米代谢组和蛋白质组的很大一部分是受昼夜(可能是昼夜)调节的，并且在F1杂交种和近交亲本之间表现出不同的模式。

二、研究结果

主成分分析结果显示，杂交种与两亲本的代谢物分离，位于两亲本之间。在447种代谢物中，369种(82.6%)受昼夜调节影响，265种(59.3%)表现出基因型效应，44种(9.8%)表现出基因型效应和昼夜调节之间的相互作用。代谢丰度的分层聚类分析将代谢物分为三类：其丰度在清晨高于夜间（132种）;在夜间达到峰值（174种）;在不同时间点上基因型的丰度呈现混合模式（141种）。

图1  玉米代谢组的时间和基因型效应模式

非加性积累模式: 代谢物表现出偏离双亲中值(MPV，双亲的平均值); 447种代谢物中，356种(79.6%)在一个或多个时间点上被鉴定为互反杂交种的非加性代谢物（图2A）。49.2%(175/356)代谢物为两个杂交种共享(图2B)，白天非加性代谢物的数量有57.4%(167/291)与夜间的代谢物重叠(图2B)。

图2 杂种玉米白天和夜间非加性表达代谢物的分析

MPH（中亲本杂种优势百分比）=100%*D/A，其中“D”是杂交后代与双亲平均值(“A”)之间的偏差。在白天和夜间时间点标注的代谢物中，分别有42种(22.0%)和37种(19.4%)代谢物的绝对平均MPH“大”，在所有时间点上都>5.0%（图3C，D），这种代谢物的杂种优势规模对于玉米杂交种来说是温和的。

图3 玉米杂种优势的昼夜节律

根据JTK_CYCLE方法鉴定昼夜节律性，其中447种代谢物中有266种(59.5%)被鉴定为节律性代谢物。杂种玉米大多数节律性代谢物在杂交种中也显示出非加性模式(图4D)。

图4 各品种玉米代谢物的昼夜节律和非加性调控

参与光合作用、卡尔文循环和糖代谢的代谢物(图5A)趋向于呈现正的MPH(图5C和5D)。参与光呼吸途径的代谢物(图5B)，如Gln、Gly和Ser，显示负的MPH。这些代谢物中有许多是有节律的，并且在白天和黑夜之间具有不同程度的MPH(图5E)。

总的来说，这些变化可能使杂交种通过增加光合作用产生而减少光呼吸消耗来增强二氧化碳的净同化。

图5 玉米杂交种及其自交系代谢组的昼夜节律和非加性调控

为了探究近交系亲本与杂交种代谢物差异的原因，分析了B73和Mo17及其互交杂交种(BM和MB) 4个不同时间点(ZT3、ZT9、ZT15和ZT21)玉米幼苗(9期DAP)的蛋白质组学。不同基因型和时间点的蛋白从2,312到3,290不等(补充图2A)。PCA结果显示，玉米蛋白质组在自交系和杂交种之间以及不同时间点之间存在明显的分离(补充图2B)。

   

附图1 各品种昼夜蛋白表达模式

附图2 杂种玉米非加性蛋白表达模式

附图3 昼夜节律性蛋白

通过蛋白质组学定量分析，检测杂种玉米各关键通路中蛋白酶丰度变化状况，结果显示C4 光合途径中关键酶、光呼吸途径以及卡尔文循环中几种关键酶丰度均显著上调（图6、图7），但这种变化发生在不同时间段。

图6 C4 光合作用途径中关键酶的时间丰度

图7 光呼吸通路和卡尔文循环中关键酶的时间丰度

三、结论

这项研究对时间序列数据的综合分析表明，玉米代谢组和蛋白质组的昼夜调节在 F1 代杂交种与其近交亲本之间具有明显的非加性模式。这些代谢物和蛋白质水平的差异可能有助于杂种优势。

具体来说，通过昼夜调节参与光合作用和光呼吸途径的关键酶的非加性表达，杂种可以优化相应代谢物的丰度，以改善碳同化和解毒有毒代谢物，最终促进植物生长。

 

 

 

编辑：HL

审核：Tao Li

 

参考文献

Li Z, Zhu A, Song Q, Chen HY, Harmon FG, Chen ZJ. Temporal Regulation of the Metabolome and Proteome in Photosynthetic and Photorespiratory Pathways Contributes to Maize Heterosis. Plant Cell. 2020 Dec;32(12):3706-3722.