崖州湾国家实验室/华中农业大学邢永忠团队综述水稻杂种优势的基础与应用

杂种优势是F₁代杂交种在生物量、产量以及抗逆性等方面优于其亲本的生物学现象。杂交水稻的应用极大地提升了水稻产量，为保障全球粮食安全做出了不可磨灭的贡献。然而，目前尚缺乏统一的分子理论来解释杂种优势。

2026年2月16日，Journal of Genetics and Genomics在线发表崖州湾国家实验室和华中农业大学邢永忠教授团队题为“Decoding heterosis in rice: from classical theories to modern omics insights”的综述论文。该综述系统性总结了杂种优势的基础研究，从基因组学、表观基因组学、转录组学和代谢组学视角，深入探讨了不同尺度下的杂种优势机制，并提出基于人工智能辅助育种的理论框架。

该综述提出，水稻杂种优势并非单一机制的产物，而是多层面、多维度协同增强的系统性结果。该文首先立足于经典遗传学，重申了显性、超显性和上位性三大理论基础的现代意义，并强调亲本间广泛存在的结构变异(SVs)和存在/缺失变异(PAVs)是基因组互补的关键遗传基础。随后，进一步深入解析了杂交种多维度的分子调控网络：相比亲本，杂交种基因组呈现出更为开放的染色质状态，伴随着动态重塑的DNA甲基化和组蛋白修饰模式，这种宽松的染色质环境为高强度的代谢活动提供了结构支撑。在表观修饰、非编码RNA及顺式/反式因子的协同作用下，杂交种展现出广泛的非加性基因表达模式；特别是等位基因特异性表达(ASE)，赋予其在不同发育阶段灵活调控亲本等位基因的能力。遗传互补和灵活多样的调控方式丰富完善了杂交种的基因表达调控网络，从而在代谢通路水平上产生优势，提高光合效率、扩大库容量及实现高效的碳氮协同，系统性增强“源–库”关系，进而带来生物量积累与抗逆性的双重提升。最后，展望了基于人工智能(AI)整合基因组、转录组、代谢组及“基因–环境”互作等多模态数据的智能预测模型构建，旨在弥合基础研究与育种实践的鸿沟，为高效选育优良杂交水稻提供理论指导与决策支持。

水稻杂种优势机制解析

A：亲本基因组结构的多样性为杂种优势奠定了基因组基础；B：表观遗传调控(包括组蛋白修饰和DNA甲基化)调节染色质结构和基因状态并动态调控杂交种的转录，从而产生杂种优势；C：顺式和反式调控驱动基因的加性和非加性表达，赋予杂种优势相关基因调控的灵活性；D：lncRNA和miRNA在转录或转录后水平的作用增加了关键通路相关基因的调控多样化，从而促进杂种优势；E：代谢通路(尤其是碳代谢)的优化最终驱动杂种优势。