摘要
杂种优势是杂交后代相较于亲本在一系列性状上的优越表现，这一现象普遍存在于自然界的各种真核生物中。关于杂种优势的研究已有一个多世纪了，目前有三种经典的模型解释其分子机制，分别为显性，超显性和上位性。近年来，有新的研究提出了调控不兼容性假说解释杂种优势。对于受多基因调控的杂种优势，有研究提出了能量利用效率假说，但尚无可靠的分子证据支持这一理论。最近有研究发现酿酒酵母（Saccharomycescerevisiae）野生菌株与驯养菌株在杂合率上有非常显著的差异，野生酿酒酵母几乎均为纯合体，而来源于发酵环境的驯养菌株则都为杂合体，这一现象暗示杂种优势很可能对于驯养菌株发酵能力的提升和抗逆性的增强发挥了作用。 在本研究中，利用单孢分离的方法获得了20株不同谱系酿酒酵母杂合驯养菌株的89株单孢菌株，包括49株完成自动二倍体化的纯合二倍体和40株单倍体菌株。通过对以上109株菌在10种培养条件（包括4种不同碳源环境和6种压力环境）下的生长性能，包括最大增长速率和增长效率的测定发现，相较于纯合二倍体或单倍体菌株，原始杂合驯养菌株具有更强的生长性能，而纯合二倍体和单倍体菌株在10种条件下的生长性能无明显差别，表明在这10种测试条件下倍型对菌株的生长性能无明显影响。随后选取两株杂合驯养菌株QH7.2与XZ3.1，将来源于同一杂合驯养菌株，并且基因型不同的单倍体菌株交配，每组各获得18株杂交菌株。对以上10种条件下原始杂合驯养菌株、杂交菌株、纯合二倍体菌株和单倍体菌株生长性能的进一步比较表明在多种培养条件下，酿酒酵母杂交菌株与原始杂合菌株一样具有杂种优势。 为探究酿酒酵母杂种优势的分子机制，本研究选取杂合驯养菌株QH7.2和XZ3.1及各自的衍生菌株，包括2株杂交菌株、2株纯合二倍体菌株和2株单倍体菌，对其在30℃、40℃及9％乙醇三种条件下的转录组进行了比较分析。基于所有表达基因的表达水平分析发现，菌株的表达谱主要由生长条件决定，而与杂合性和倍型无关。差异表达基因分析发现，在相同条件下，菌株的表达模式主要由遗传背景决定，并且杂交菌株与各自的原始杂合驯养菌株具有相似的表达模式，而源自相同杂合驯养菌株的单倍体和纯合菌株表现出相似的表达模式。 有研究认为杂合菌株中非累加型表达的基因在杂种优势中发挥主要作用，因此本研究对累加和非累加基因进行了比较分析，发现在30℃、40℃及9％乙醇三种培养条件下，非累加型基因在所有表达基因中占比很小(1.27-8.94％)，但在大多数杂合和杂交菌株中，表达水平下调的非累加型基因占比更多。据此，进一步分析了基因表达水平与生长性能的相关性。在以上三种条件下，共表达网络分析结果显示，表达水平与菌株生长性能呈负相关的基因数量远高于呈正相关的基因数目，这些结果表明杂合菌株中的基因表达可能更加高效。对杂合菌株与纯合菌株之间有差异表达，并且与菌株生长性能相关的基因进行GO和KEGG富集分析显示，除了少数在三种条件下共有的GO条目，不同培养条件下与菌株生长性能相关的基因主要富集到了不同的GO条目，表明随着培养条件的改变，对杂种优势发挥作用的基因或通路很可能随之变化。随后选取16个与菌株生长性能负相关的基因，在单倍体菌株中进行基因缺失实验，发现在特定条件下缺失突变菌株的生长性能不仅没有减弱，部分基因的缺失甚至能够增强菌株在特定环境中的生长性能。利用高效液相及真空冷冻干燥技术，测定了QH7.2、XZ3.1及12株衍生菌株在40℃和9％乙醇两种条件下的葡萄糖利用情况及增加的细胞干重，结果显示杂合菌株利用等量的葡萄糖可以产生更多的生物量，因此具有更高的能量利用效率。这些结果表明酿酒酵母杂合菌株具有更有效的基因调控，从而获得了更高的能量利用效率，进而产生杂种优势。
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