Генетические основы гетерозиса

УДК 631.527.52

Генетические основы гетерозиса / Л. В. Хотылева [и др.] ; Нац. акад. наук 
Беларуси, Ин-т генетики и цитологии. – Минск : Беларуская навука, 2021. – 
226 с. – ISBN 978-985-08-2676-3.
Монография посвящена одному из актуальных вопросов генетики и селекции – изучению 
генетических основ гетерозиса у растений. Представлены теоретические концепции, рассматривающие это сложное явление с позиции различных типов действия генов и их взаимодействия со средой. Освещены результаты применения современных подходов молекулярной 
биологии для изучения различных аспектов проблемы на уровне генома, транскриптома и метилома. Рассмотрены физиолого-биохимические особенности формирования гетерозиса в процессе онтогенеза. Изучены перспективы оценки генетической дивергенции для повышения 
эффективности отбора пар скрещивания в селекции на гетерозис. Показано, что информация, 
полученная в результате теоретических и экспериментальных работ, имеет большое значение 
как для фундаментальной науки, так и для практики при разработке эффективных программ 
селекции.
Книга рассчитана на широкий круг специалистов биологического профиля, генетиков 
и селекционеров.
Табл. 53. Ил. 41. Библиогр.: 459 назв.

А в т о р ы:

Л. В. Хотылева, А. В. Кильчевский, М. Н. Шаптуренко, 
Л. А. Тарутина, В. В. Титок

Р е ц е н з е н т ы:

академик НАН Беларуси, доктор сельскохозяйственных наук, профессор С. И. Гриб, 
член-корреспондент НАН Беларуси, доктор биологических наук Н. В. Шалыго

© Институт генетики и цитологии 
    НАН Беларуси, 2021
© Оформление. РУП «Издательский дом  
    «Беларуская навука», 2021

ISBN 978-985-08-2676-3

ВВЕДЕНИЕ

Одним из наиболее интересных феноменов биологии является гетерозис. 

Его коммерческое использование позволило значимо увеличить валовые сборы 
продукции, как в растениеводстве, так и животноводстве [1, 2]. Первые публикации Shull [3] по этой проблеме, вышедшие более 100 лет назад, заложили 
основу современной гибридной селекции не только у кукурузы, но и других 
хозяйственно важных культур. Cтоль высокая значимость гетерозиса послужила толчком к изучению генетических механизмов этого уникального явления и развитию теоретических моделей [3–8].

Впервые использование гетерозиса в сельскохозяйственной практике было 

осуществлено на культуре кукурузы (Zea mays), затем на свекле (Beta vulgaris), 
сорго (Sorghum bicolor), луке (Allium сера), баклажанах (Solanum melongena), 
томатах (Solanum lycopersicum), перце (Capsicum), рисе (Oryza sativa), хлоп- 
ке (Gossypium hirsutum), подсолнечнике (Helianthus annuus) и рапсе (Brassica 
napus) [9]. Начало гибридной селекции относят к 1920 г. [10]. В 1924 г. были 
проданы первые несколько бушелей гибридных семян кукурузы, и в ее производстве начался стремительный переход от свободноопыляющихся сортов 
к гибридам [11]. В штате Айова доля гибридов в производственных посевах 
выросла от менее чем 10 % в 1935 г. до более 90 % в последующие 4 года. 
К 1950 г. большинство высеваемых на территории США семян кукурузы были 
гибридными [10]. За счет использования в сельскохозяйственной практике гибридов этой культуры удалось увеличить сборы зерна на 15 % по сравнению 
с лучшим свободноопыляющимся сортом. К концу ХХ в. на посевы F1 кукурузы приходилось уже около 65 % от общей площади ее возделывания, что 
обеспечило четырехкратный прирост ее годового производства [12]. Широко 
возделываемый в странах Азии гибридный рис дал преимущество 20–30 % 
по сравнению с наилучшими инбредными сортами, способствуя увеличению 
эффективности производства на 44 % [13]. В Китае – одном из крупнейших мировых производителей рапса – его гибриды занимают не менее 75 % от общих 
посевных площадей [2]. У такой важной зерновой культуры мира, как пше- 
ница (Triticum aestivum), гибриды обеспечивают превосходство в 10–25 % [14]. 
Несмотря на трудности производства гибридных семян T. aestivum, в 2012 г. 
посевы F1 пшеницы в Европе достигли 250 тыс. га, с преимущественной долей 
Франции как основного монополиста в области производства химических аген

тов «стерилизации». Для сорго почти половина мировых посевов представлена гибридами, с экономическим эффектом 35–40 % [12]. 

Прогресс использования гетерозиса на практике стимулировал интерес 

ученых генетиков в исследовании этого уникального феномена и способствовал появлению теоретических концепций, которые претерпевали различные 
модификации и интерпретации с развитием методов анализа и получением 
новых данных. В своем классическом варианте они определили направления 
исследований на многие годы. С развитием технологий молекулярной биологии и, в частности, ДНК-маркирования, основные усилия были направлены 
на поиск геномных регионов, ответственных за формирование гетеротического ответа в F1 и выяснение перспектив использования сведений о молекулярной дивергенции исходных родительских форм для предсказания урожайного 
потенциала гибридного потомства. Несмотря на некоторые успехи эффективность таких данных для практического использования оказалась ограниченной, подтвердив, что генетическая гетерогенность необходима, но не достаточна для получения гетерозисного фенотипа. Новые подходы функциональной 
геномики и смежных дисциплин позволили изучать основополагающие механизмы гетерозиса на уровне генома, транскриптома, метаболома и эпигено- 
ма. К настоящему времени описаны различия в геномной организации, генной 
экспрессии и эпигенетическом статусе гибридов F1 и их родителей. На геномном уровне обнаружены QTL, ассоциированные с гетерозисом, изучена роль 
ДНК-дивергенции в реализации генетического потенциала F1. На уровне транскриптома у гибридов по сравнению с инбредными родителями выявлены сложные изменения в регуляция экспрессии генов, осуществляемой с участием генов 
циркадных часов. Определена важная роль эпигенетической модификации 
ДНК и геномного импринтинга в проявлении гетерозиса. Вся совокупность 
данных, накопленных к настоящему времени, свидетельствует о том, что гетерозис невозможно объяснить единственным общим механизмом, так как этот 
сложный феномен включает множественные компоненты, кумулятивный эффект 
которых приводит к формированию выдающегося фенотипа. Вместе с тем 
многочисленные теоретические и экспериментальные исследования феномена 
гетерозиса способствовали разработке эффективных приемов гетерозисной селекции, которые успешно применяются в практических целях.

Глава 1

ГЕТЕРОЗИС И ИНБРИДИНГОВАЯ ДЕПРЕССИЯ: 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ

Первый вклад в развитие современных концепций гетерозиса был сделан 

естествоиспытателями, осуществлявшими экспериментальные скрещивания 
более 300 лет назад [15]. Так, член Петербургской академии наук Кёльрейтер 
в 1776 г. при проведении гибридизации Nicotiana и детального анализа полученного потомства обнаружил значимое превосходство гибридов первого поколения над родительскими формами по степени развития некоторых признаков [16]. Knight в 1799 г. продвинулся дальше, заключив, что широкое распространение перекрестного опыления в природе является доказательством его 
преимуществ [17]. В последующие годы появились работы ряда других исследователей, предоставившие новые доказательства в пользу перекрестного опыления и направленные на выяснение фундаментальных основ наследственности. Значительный вклад в развитие основополагающих идей биологии был 
сделан революционной работой Дарвина, посвященной изучению роли само- 
опыления и перекрестного опыления в природных популяциях [18]. Эксперименты Дарвина поддерживали гипотезу о том, что самоопыление невыгодно 
для воспроизводства потомства, так как в большинстве случаев снижает мощность и фертильность растений. По завершении кропотливого анализа репродуктивных систем растений, он пришел к выводу: «Nature thus tells us, in the most 
emphatic manner, that she abhors perpetual self-fertilization» («Природа заявляет 
самым решительным образом, что она не терпит бесконечного самооплодотворения») [19]. Заключения Дарвина оказались решающими в развитии представлений и понимания значимости инбридинга и кроссбридинга в природе. 
Именно Дарвин отметил возможность восстановления потерянной в результате самоопыления мощности посредством скрещивания инбредных форм. Это 
заключение оказалось очень близко современной концепции роли инбридин- 
га и кроссбридинга в отношении повышенной мощности F1. В противоположность гетерозису, в значительной мере обязанному гетерозиготности, инбридинговая депрессия вызвана увеличением гомозиготности генотипов. Хотя 
и гетерозис, и инбридинговая депрессия зависят от схожих генетических эффектов, они не являются одинаковыми феноменами, различающимися лишь по направлению действия. В действительности, когда мы имеем дело с популяциями, инбридинг выражается как внутрипопуляционный эффект, тогда как гетерозис проявляется на межпопуляционном уровне [20]. 

При инбридинге следует различать два возможных механизма снижения 

приспособленности организма: повышение гомозиготности по частично вредным мутациям и повышение гомозиготности по аллелям локусов с преимуществом гетерозигот. Аллели с вредными мутациями обычно присутствуют 
в популяции с низкой частотой, в то время как «сверхдоминантные» аллели 
поддерживаются отбором на промежуточных частотах. Поскольку оба механизма могут вызывать и гетерозис при скрещивании инбредных линий, понимание их генетических основ является важным для селекционеров.

Исходя из классической количественной генетической теории, гетерозис мо
жет быть результатом доминирования, сверхдоминирования или эпистаза [21–23]. 
Если сверхдоминирование – преобладающий механизм гетерозиса, тогда селекционные стратегии, направленные на повышение гетерозиготности будут 
приводить к более выраженному гетеротическому ответу в F1. С другой стороны, при преобладании доминирования и эпистаза, должны поддерживаться 
приемы, направленные на фиксацию благоприятных аллелей.

Теоретические концепции гетерозиса

Существующие теоретические концепции гетерозиса подвергались раз
личным модификациям и интерпретациям с развитием методов анализа и получением новых данных, так как изначально не были непосредственно связаны с молекулярными механизмами наследования и имели ограниченное применение для описания молекулярных событий, сопровождающих гетерозис 
и инбридинговую депрессию. Но в своем классическом варианте они определили направления исследований этих феноменов.

Основные представления о генетических механизмах двух функциональ
но противоположно направленных явлений (инбридинг, гетерозис) сводятся 
к однолокусной и многолокусной моделям (рис. 1). Однолокусная модель предполагает: 1) доминирование, при котором действие вредных рецессивов по- 
давляется доминантным гомологом [7, 24]; 2) сверхдоминирование, которое 
также обусловлено взаимодействием между членами одной и той же пары аллелей [3, 6]. Генетическое объяснение гетерозиса и инбридинговой депрессии 
в случае однолокусной модели связано с доминантными уровнями аллелей. 
В первом случае предполагается преимущество гетерозигот, во втором – действие 
частично или полностью рецессивных мутантных аллелей, приводящее к уменьшению жизнеспособности (фитнеса) гомозигот. Многолокусная модель рассматривает гетерозис с позиции неаллельных взаимодействий генов или эпистаза.

В контексте теории доминирования превосходство гибридов F1 обуслов
лено аккумуляцией у гибрида благоприятных доминантных генов и доминантной комплементацией вредных рецессивов [5, 7, 24–26]. Полулетали чаще 
всего рецессивны, поэтому показатели приспособленности и выражения различных признаков гетерозигот превышают среднюю гомозигот. Каждая такая 
мутация имеет слабый эффект, однако, учитывая, что популяция изобилует 

полулеталями, их суммарный эффект может быть значительным. Такой вид 
взаимодействия наследственных факторов объясняет причины дегенерации 
при инбридинге и признает аддитивный эффект доминантных благоприятных факторов, наблюдаемый при гибридизации. Иными словами, в результате 
скрещивания инбредных линий происходит объединение генетического материала унаследованного гибридом от обоих родителей, при котором действие 
вредных рецессивов подавляется благоприятными доминантными аллелями, 
так как возможность совпадения рецессивов у разных линий маловероятна 
(АаBbCc (F1) > ааBBcc (P1), AAbbCC (P2)) [5, 27–31]. Очевидно, имеет место взаимодействие аллельных факторов, значение которого для объяснения дегенерации при инбридинге и благоприятного эффекта при скрещивании впервые было 
отмечено Давенпортом (1908), предполагавшим влияние на признак небольшого числа факторов с хорошо выраженным индивидуальным действием [24].

Действительно ли мутации могут объяснить наблюдаемую степень де
прессии при инбридинге и ее снятие при аутбридинге? Безусловно, вредные 
мутации присутствуют в естественных популяциях и насыщенность полулеталями и леталями нисколько не умаляет их важной роли в поддержании высокого уровня биологической приспособленности. Есть все основания считать, 
что неблагоприятные и даже летальные в гомозиготе рецессивы являются не
а: аддитивный эффект
d: доминантный эффект

Неполное доминирование: –1 < d / a < 0; 0 < d / a < 1
Полное доминирование: d / a = 1; d / a = –1
Сверхдоминирование: –∞ < d / a < –1; +1 < d / a < ∞
MP (mid-parents) – средняя родителей

Рис. 1. Генетические модели гетерозиса: а – доминирование; б – сверхдоминирование, 
соответствующие однолокусной модели; в – псевдосверхдоминирование, возникающее 

при наличии тесного сцепления между двумя локусами с противоположными аддитивными 

эффектами (согласно [32])

обходимыми частями генотипов хорошо приспособленной популяции и активно поддерживаются на соответствующей частоте естественным отбором. 

Исследования Drosophila melanogaster показали, что около 30 % второй 

и третьей хромосом дикого типа, изолированных у мужской особи, являются 
летальными в гомозиготе [33]. Гетерозиготы по летальным хромосомам практически всегда жизнеспособны, что подтверждает рецессивный характер этих 
мутаций. Различные дикие летальные хромосомы несут различные летальные мутации. Если отбор направлен на гетерозиготное преимущество, частоты аллелей, понижающих приспособленность гомозигот, должны быть промежуточными (средними) и распределяться между различными генотипами. 
Эксперименты по анализу мутаций у D. melanogaster показали, что частоты 
летальных мутаций поддерживаются на низком уровне, а гомозиготность редуцирует приспособительные характеристики мух в течение жизненного цикла 
в среднем до 84 % [34, 35]. 

Для большинства видов растений и животных не установлено, в какой сте
пени инбридинговая депрессия связана с летальными мутациями, так как гомозиготные эмбрионы погибают на самых ранних стадиях своего развития. 
Однако в отдельных исследованиях показаны сходные с D. melanogaster частоты летальных мутаций в популяциях мангровых деревьев, Mimulus guttatus, 
а также некоторых видов рыб [36, 37].

С точки зрения популяционной генетики перекрестноопыляющиеся попу
ляции в отношении частоты рецессивных мутаций стремятся к достижению 
равновесия, при котором число неблагоприятных рецессивов, добавляемых мутационным процессом, точно уравновешивается числом таких же рецессивов, 
элиминируемых отбором. Если неблагоприятная мутация полностью рецессивна, то отбор действует только на гомозиготу; чем больше частота рецессивных 
аллелей в популяции, тем больше вероятность появления рецессивных гомозигот, тем больше таких гомозигот подвергается элиминации. Появление рецессивных гомозигот снижает среднюю жизненность популяции. Зная скорость мутирования и общее число локусов, способных к мутированию, можно 
для данного вида перекрестнооплодотворяющихся организмов определить максимальные размеры теоретически возможного гетерозисного эффекта, вызываемого действием данной причины. Соответствующее вычисление Crow [38] 
для кукурузы показало, что максимально возможная величина такого гетерозиса у межлинейных гибридов составляет не более 5 %, в то время как в действительности лучшие межлинейные гибриды превосходят по урожайности 
свободноопыляющиеся сорта на 30 % и более. Концептуально, величина гетерозиса должна уменьшиться в процессе аккумуляции у линий «сильных» аллелей и «очищения» от вредных рецессивов, а сами линии должны достичь 
уровня продуктивности лучших гибридов [1]. Ретроспективный анализ селекционного улучшения кукурузы показывает отсутствие значимого снижения 
уровня гетерозиса F1 в результате «очищения» инбредных линий в процессе 

селекции, которое должно было бы присутствовать, если теория верна. Между 
тем урожайность гибридов увеличивалась пропорционально урожайности новых улучшенных инбредных линий (рис. 2), т. е. устранение вредных рецессивов посредством инбридинга не изменило относительного преимущества гибридов F1 [1, 12, 39].

Birchler et al. [40] предполагают, что константное увеличение урожайности F1 

и значимый гетерозисный эффект на протяжении многих лет достигнуты благодаря селекции аллелей в «правильном» наборе локусов, которые создают 
лучшие сочетания при гибридизации. Bingham [41] поддерживает это заключение, объясняя наблюдаемую тенденцию аккумуляцией благоприятных генов 
в хромосомных блоках и их ассоциированными взаимодействиями (кумулятивный эффект), указывая на решающее значение наличия неравновесия по сцеплению (linkage disequilibrium). Теоретически можно допустить возможность 
получения мощных гомозиготных линий, но на практике их получению препятствует сцепление благоприятных доминантных аллелей с неблагоприятными рецессивами. Еще Collins [26] показал, что при значительном числе факторов, влияющих на мощность гибридов, возможность получения организма, 
гомозиготного по всем благоприятным доминантным аллелям ничтожно мала 
(1:4n, где n – число пар факторов, контролирующих признак). Наиболее эффективно идет очищение от мутаций со значительными эффектами, соответственно, 
как гетерозис, так и инбридинговая депрессия могут быть обусловлены куму
Рис. 2. Урожайность простых гибридов (Hybrid yield), средняя их инбредных родителей 

(Inbred yield), относительный (%, Percent heterosis) и абсолютный гетерозис (Heterosis yield) 

кукурузы, возделываемой в США в течение 1916–1985 гг. [12, 40]

лятивным эффектом многих индивидуальных, редких, частично вредных мутаций, которые не являются основной мишенью отбора и могут быть элиминированы лишь через сотни, а то и тысячи поколений [42].

Частые случаи сцепления благоприятных доминантных факторов с вред
ными и даже летальными в гомозиготе рецессивами указывают на важное 
значение для генотипа в целом этих рецессивов. Дифференциальное удаление 
мажорных и минорных мутаций посредством инбридинга в течение нескольких 
поколений, последующее скрещивание и анализ аутбредных форм могли бы 
прояснить вклад мутаций. Подобный эксперимент по «очищению» у растения 
Mimulus guttatus лишь немного снизил инбридинговую депрессию [43], тогда 
как в популяции насекомого Stator limbatus вклад мутаций со значительными 
эффектами был высоким и снижение инбридинговой депрессии достигало 
35–73 % [44]. Эти результаты подтверждают выводы Charlesworth и Willis [8], 
которые считают, что «очищение» в процессе отбора не может полностью исключить роль мутаций, так как улучшенные характеристики инбредных линий 
могут быть связаны с отбором аллелей в локусах, не связанных с гетерозисом, 
и последний может быть обязан многочисленным мутациям с малыми эффектами, которые не были удалены в процессе селекции улучшенной линии.

Еще один аргумент против доминантной модели – прогрессивный гетеро
зис у полиплоидов, который также сложно объяснить с позиции концепции 
доминирования [45]. В данном случае величина гетерозиса максимизируется 
числом геномов полиплоида, указывая, что эффект дозы может играть более 
важную роль, чем простая комплементация либо взаимодействие аллелей [46]. 
По мнению Birchler [47], концепцию комплементации можно «примирить» с прогрессивным гетерозисом полиплоидов при выполнении следующих условий: 
1) каждый набор простых гибридов должен содержать некоторое количество 
вредных рецессивов, унаследованных от гомозиготных родителей; 2) для эффекта комплементации двойные гибриды должны быть дополнены различающимися наборами вредных рецессивов простых гибридов; 3) в геноме двойного 
гибрида число таких рецессивов в гомозиготном состоянии не должно превышать число вредных рецессивов с комлементарным эффектом, иначе будет наблюдаться перекрытие эффекта комплементации. Однако удовлетворение вышеперечисленных условий представляется маловероятным. 

Третий аспект, касающийся полиплоидов и выступающий против роли му
тационного груза, – сопоставимость скорости инбридинговой депрессии на диплоидном и тетраплоидном уровне. Теоретически потеря мощности на более 
высоком уровне плоидности должна происходить медленнее [48]. Если следовать простой доминантной модели, все экотипы должны нести груз гомозиготных вредных рецессивов, и чтобы получить гетеротический ответ в F1, необходимо, чтобы родители были гомозиготны по различным вредным мутациям, 
но, как правило, в популяции они уже гетерозиготны. Поэтому концепция гомозиготных рецессивов, насыщающих популяцию, идет в разрез с центральным принципом эволюции и популяционной генетики.