2021年10月5日，杂交水稻国家重点实验室、武汉大学生命科学学院黄文超副研究员小组在植物学领域知名杂志《plant physiology》（IF= 8.340）发表了杂种优势研究的新进展，论文题目为“The metabolomic landscape of rice heterosis highlights pathway biomarkers for predicting complex phenotypes”。 武汉大学生命科学学院博士后但志武为论文第一作者，黄文超副研究员为通讯作者，该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家水稻产业技术体系和中国博士后科学基金的资助。

该研究首先利用机器学习的方法，分别鉴定了水稻杂交后代F1的单株产量、结实率、分孽数、穗粒数、千粒重和株高六个重要农艺性状的杂种优势相关代谢分析物，发现不同性状重叠的代谢分析物决定了其在表型水平的相关模式，且四个产量成分性状和株高协同贡献于产量杂种优势；紧接着，对高、低杂种优势个体进行差异代谢网络分析后发现，显著富集的代谢通路主要来自于氨基酸代谢和碳水化合物代谢，且二者表现出相反的调节趋势；基于所研究性状之间重叠的代谢通路，绘制了水稻生殖性状和营养性状杂种优势的代谢组学景观，并利用产量杂种优势显著富集代谢通路的代谢水平，开发出产量杂种优势的代谢通路生物标志物，用于预测来自于不同环境下不同群体杂交后代F1的产量杂种优势。总之，该研究初步揭示了氨基酸代谢和碳水化合物代谢之间、营养性状和生殖性状之间的平衡，在产量杂种优势中的贡献。同时，由于代谢通路生物标志物涵盖了通路水平的整体信息，在预测模型中同时纳入了显著和“不显著”的预测变量，因此可以缓解分子异质性和环境差异对预测能力的影响，进而为辅助选育高产及广适型杂交水稻提供了新思路。

图1 参与水稻杂种优势的代谢通路以及代谢水平


据悉，该小组十二年前就在朱英国院士的带领下开始水稻杂种优势研究，聚焦在红莲型杂交水稻和水稻籼粳亚种杂种优势这两方面。2015年，课题组成功克隆到红莲型杂交水稻的新恢复基因Rf6并初步解析了其分子机理，相关成果在pNAS上发表；2019年，他们发现代谢分子可进行水稻杂交后代F1的表型预测，构建了预测模型并成功对F1的千粒重进行了预测，相关成果发表于工程技术领域重要杂志《plant Biotechnology Journal》（IF= 9.803）。

论文链接：https://academic.oup.com/plphys/article/187/2/1011/6298605