Introduction

A tenyésztőket és a kutatókat egyaránt érdekli a hibridizáció és az eltérő genotípusok közötti introgresszió, mint az utódok ökológiai divergenciájához vezető potenciális hajtóerő (Rieseberg et al., 2007; Arnold et al., 2012). Ezzel szemben a hibridizáció néha csökkent hibridfitnesszel, például gyengeséggel és/vagy sterilitással járhat az F1 és későbbi generációkban, még az azonos faj tagjai közötti hibridizáció esetén is.

Az F2 vagy későbbi generációkban szegregálódó csökkent hibrid életképességet és/vagy termékenységet hibrid bontásnak (HB) nevezik, amelyhez szükségszerűen recesszív allélok társulnak. Ezt a szaporodási gátat már régóta megfigyelték növényeknél és állatoknál egyaránt (Dobzhansky, 1970; Grant, 1971). E gát számos genetikai elemzéséből kiderült, hogy a gát a differenciált allélokkal rendelkező lókuszok közötti és/vagy azok közötti komplementer hatás révén valósul meg, amelyet általában Bateson-Dobzhansky-Muller (BDM) inkompatibilitásnak neveznek (Rieseberg és Willis, 2007). A HB szükségszerűen magában foglalja az intrinsic postzygotikus reprodukciós akadályokat, például a hibrid életképtelenséget (beleértve a gyengeséget, nekrózist és klorózist) és a hibrid sterilitást (a hím, nőstény vagy mindkét ivarsejtben); ezért egyes kutatók nem különböztetik meg a HB-t az F1 utódok életképtelenségétől és sterilitásától. Mindazonáltal úgy vélem, hogy a HB megfelelő osztályozás a reprodukciós akadályok számára, mivel magában foglalja a mögöttes genetikai alapjukat (azaz a recesszív allélok részvételét).

Az Arabidopsis modellnövényfajon végzett újabb vizsgálatok a HB jobb megértéséhez vezettek annak molekuláris mechanizmusait illetően (Vaid és Laitinen, 2019). Ezzel szemben, bár a rizs (Oryza faj) modellnövény, a HB genetikai alapjainak jelenlegi megértése korlátozott ebben a fajban, valószínűleg azért, mert a HB nem jelent szaporodási akadályt az F1 hibridekben, amelyekben a szülői beltenyésztett vonalakhoz képest magasabb szemtermés várható, és valószínűleg azért, mert az F2 és későbbi generációkban szegregálódó alsóbbrendű növények a fenotípus alapján könnyen kiválaszthatók a tenyészpopulációból. A recesszív öröklődés okozta genetikai térképezés nehézségei is állhatnak e korlátozás mögött.

Itt vázolom a HB-t a rizs keresztezésekben, miközben utalok az Arabidopsis vizsgálatokból származó információkra, és megvitatom, hogyan kezelik a HB-t a rizsnemesítésben.

A rizs hibridbontásának genetikai alapja

Úgy tartják, hogy a termesztett rizs, az O. sativa japonica és indica, egy fajkomplexumot alkot feltételezett ősanyjával (O. rufipogon) és vad fajokkal; azonban a köztük lévő keresztezésekben többféle szaporodási korlát, köztük a HB is megfigyelhető (Oka, 1988; Vaughan et al., 2003).

Tudomásom szerint Dr. Oka volt az első, aki leírta a HB genetikai alapjait a japonica és indica közötti intersubspecifikus keresztezésekben, amelyet két komplementer génnel magyarázott (Oka, 1957). A felelős géneket azonban nem térképezték fel a kromoszómákon, mivel akkoriban még nem álltak rendelkezésre molekuláris markerek.

A rizshibridekben a HB-t gyakran írták le intersubspecifikus (O. sativa ssp. japonica × ssp. indica) és interspecifikus (O. sativa × O. nivara és O. sativa × O. glumaepatula) keresztezésekben (Oka, 1957; Sato és Morishima, 1988; Wu et al., 1995; Li et al., 1997; Fukuoka et al., 1998, 2005; Kubo és Yoshimura, 2002, 2005; Matsubara et al., 2007a,b, 2015; Yamamoto et al., 2007; Ichitani et al., 2012;az interspecifikus keresztezésekre; Sobrizal et al., 2001; Miura et al., 2008 a fajok közötti keresztezésekre) (1. táblázat). A legtöbb ilyen HB esetet két lókuszú BDM inkompatibilitás és recesszív allélok okozták, ahol az F2 utódok 1/16-a, amely mindkét lókuszon homozigóta volt recesszív allélra, HB fenotípust mutatott; azonban a csak az egyik lókuszon heterozigóta utódok 4/16-a mutatott HB fenotípust, a keresztezési kombinációtól függően (1. táblázat és 1A. ábra). A visszakeresztezett hibridekben az egyik lókusz már rögzült a visszatérő szülő alléljaival; ezért a BCnF2 utódok 1/4-e mutatta a HB fenotípust (1. táblázat és 1B. ábra).

A rizshibridekben a HB fenotípus a keresztezési kombinációtól függően változik. Például a hbd2/hbd2 hbd3/hbd3 genotípus gyengeséget mutat, de nincs nyilvánvaló magsterilitás. A hbd4/hbd4 hbd5/hbd5 genotípus azonban gyengeséget és magsterilitást is mutat (Matsubara et al., 2007a, 2015; Yamamoto et al., 2007; 1. táblázat). Vannak olyan bonyolult esetek is, amikor gyengeséget és magsterilitást is mutató HB-t (hwe1/hwe1 hwe2/hwe2 genotípus) vagy csak magsterilitást mutató HB-t (hsa1/hsa1 hsa2/hsa2 hsa3/hsa3) találunk, ugyanannak a keresztezési kombinációnak, azaz az Asominori × IR24 keresztezésnek az ellenére (Kubo és Yoshimura, 2002, 2005; 1. táblázat). Mivel ezek a HB-k független genetikai alapokkal rendelkeznek, az F2 utódok közül legalább 5/64 mutatná a HB fenotípust ebben a keresztezésben.

A mai napig a HB-ért felelős lókuszok több csoportját térképezték fel bizonyos genomi régiókban DNS markerek segítségével a japonica és indica rizsfajták keresztezésében (Chrs 7 és 10, Fukuoka et al, 1998; Chrs 1 és 12, Wu et al., 1995; Kubo és Yoshimura, 2002; Matsubara et al., 2015; Chrs 6 és 11, Fukuoka et al., 2005; Chrs 8, 9 és 12, Kubo és Yoshimura, 2005; Chrs 2 és 11, Matsubara et al., 2007a; Yamamoto et al., 2007, 2010; Chrs 11 és 12, Ichitani et al., 2012; 1. táblázat és 1C ábra). E vizsgálatok eredményei azt mutatták, hogy a rizs HB alapjául szolgáló lókuszok egyes keresztezésekben közösek, más keresztezésekben viszont különböznek, ami a rizs genomjában való diverzifikációjukra utal. Például néhány esetben az incica fajtákkal szoros rokonságban álló O. nivara faj által hordozott HB allél egy indica fajtával osztozik ugyanazon a lókuszon; a termesztett fajtákkal szoros rokonságban álló O. glumaepatula faj által hordozott HB allél azonban nem osztozik a lókuszon egyetlen más fajtával sem (1. táblázat és 1C. ábra). Meg kell jegyezni, hogy a fent leírt HB eseteket egy sor fő hatású gén okozza; vannak azonban olyan esetek is, amelyeket egy sor kisebb hatású gén okoz, pl. enyhén csökkent vetőmagtermékenység, amelyeket a rizsnemesítésben nem lehet figyelmen kívül hagyni, és amelyeket még nem fedeztek fel.

Molecular Mechanisms Underlying Hybrid Breakdown

Autoimmun válasz: Bomblies és munkatársai (2007) számoltak be először arról, hogy az autoimmun válasz, hogy egy NB-LRR betegség-rezisztencia gén vagy R gén társul az Arabidopsis HB-hez intraspecifikus keresztezésekben, bár ez az autoimmun válasz főként nekrózis formájában fejeződik ki az F1 növényekben, és az F2 utódok HB-ja úgy tűnt, hogy a hőmérséklet által kondicionált. Arabidopsis hibridekben az autoimmun válasz által okozott HB-nek több bizonyítékát is leírták (Alcázar és mtsai., 2009, 2010). Az NB-LRR gének HB-ban való részvétele arra utal, hogy az Arabidopsis HB-hez több genomi régió is társulhat, sőt, a Chae et al. (2014) által végzett átfogó felmérés is alátámasztja ezt az elképzelést.

A rizshibridekben szintén autoimmun válasz által okozott HB-ról számoltak be egy japonica × indica keresztezésben (Yamamoto et al., 2010). Ebben az esetben a HB az F2 növényekben akkor keletkezik, amikor az indica fajta által hordozott, a kazein kináz I-et kódoló hybrid breakdown 2 (hbd2) gén kombinálódik a japonica fajta által hordozott R gének egy klaszterével. Mivel ezek a kórokozó allélok valószínűleg részben recesszív allélként viselkednek, a géntermékek is érintettek lehetnek (Matsubara et al., 2007a; Yamamoto et al., 2007, 2010).

Kettőzött gének kölcsönös elnémítása: ezt az elképzelést először elméletileg javasolták a hibrid inkompatibilitás genetikai alapjaként (Werth és Windham, 1991; Lynch és Force, 2000). A modellben az egyik populáció az egyik lókuszon funkciót veszít, a másikon pedig megtartja azt, míg a másik populáció az ellenkező hatást tapasztalja. Következésképpen az F2 zigóták 1/16-a nem rendelkezik funkcionális génekkel (Lynch és Force, 2000). A Bikard et al. (2009) és Vlad et al. (2010) által leírt HB az Arabidopsis hibridekben jó példa erre a jelenségre. Ebben a forgatókönyvben epigenetikus elnémítással járó esetekről is beszámoltak (Agorio et al., 2017; Blevins et al., 2017).

Mivel a rizsben mind a teljes genom, mind a szegmentális duplikáció tapasztalható (Wang et al., 2007; Guo et al., 2019), a reciprok elnémítás a hibrid inkompatibilitás okaként is elterjedt lehet. A mai napig azonban nincs bizonyíték a duplikált gének kölcsönös csendesítése által okozott HB-ra rizsben.

Az autoimmun választól és a kölcsönös csendesítéstől függetlenül egy DEAD-box RNS-helikáz 18 és egy másik gén (MORPHEUS MOLECULE 1 mint valószínű jelölt) közötti kölcsönhatást azonosítottak, amely HB-t okoz Arabidopsis hibridekben (Plötner et al., 2017; Vaid et al., 2020). Érdekes módon a HB fenotípus csökken az F3 és F4 generációk között, ami a génexpresszió epigenetikai szabályozására utal.

A rizshibridekben a három hibridsterilitás-a (hsa) lókusz közül Kubo és munkatársai (2016) nemrég kimutatták, hogy a hsa1 lókusz két génből áll, és hogy ezek a gének egy DUF1618 fehérjét és egy nem jellemzett, nukleotidkötő fehérjéhez némi hasonlóságot mutató fehérjét kódolnak. A fennmaradó komplementer gének, a hsa2 és hsa3 molekuláris jellemzőiről nem számoltak be.”

Hibrid törés a hagyományos rizsnemesítésben

A hagyományos rizsnemesítésben évtizedekig széles körben alkalmazták a tömeges populációs módszert. Ebben a módszerben a keresztezés után az F4 vagy F5 populációt öntermékenyítéssel ömlesztve (az egymagvú leszármazási módszer helyett), mesterséges szelekció nélkül nevelik, de a korai generációs populációt természetes és életképességi szelekciónak vetik alá (Allard, 1960; Ikehashi és Fujimaki, 1980 a részletekért). Az ömlesztett populációs módszer során várhatóan sok gyenge és/vagy steril genotípus kerül ki a populációból a fejlett generációs populáció létrehozása előtt; ezért ez a módszer korlátozott információt nyújthat a HB-ról.

A rizsnemesítők a kívánatos tulajdonságoknak a donor(ok)ból egy fajtába történő introgressziójára vagy felhalmozására gyakran végeztek visszakeresztezést vagy többszülős keresztezést, amelyet az ömlesztett populációs módszer követett. Empirikusan már régóta ismert, hogy ezek a keresztezési módszerek lehetővé teszik a szelekciós jelöltek szaporodási akadályok okozta veszteségének mérséklését, mivel ezek a módszerek gyakran csökkentik a HB-vel kapcsolatos zavaró allélkombinációk szegregációját a hibrid utódokban. A reprodukciós akadályok mérséklése ezekkel a keresztezési módszerekkel azonban elkerülhetetlenül függ a szülők HB genotípusától.

Hibrid bontás a genomikai célú nemesítésben

A referencia növénygenom szekvenciák közzététele és az újgenerációs szekvenálási technológiák fejlődése felgyorsította a molekuláris növénynemesítés fejlődését (Kole et al., 2015). Ezzel összefüggésben a növénynemesítésben fontolóra vették a genomika-asszisztált nemesítést, például a genom-szerte használt DNS-markerek genotípusain alapuló genomikai szelekciót (Spindel és Iwata, 2018).

A saját beporzású növények genomika-asszisztált nemesítésében a fejlett generációs populációkat, például a rekombináns beltenyésztett vonalakat gyakran használják referenciapopulációként, amelyekből genom-szerte használt genotípus- és fenotípusadatokat nyernek. Ezt követően a korai generációk utódain (pl. F2) kizárólag a markergenotípusokon alapuló szelekciót végeznek. Ebben a szelekciós sémában meg kell jegyezni, hogy a referenciapopuláció általában nem szolgáltat információt a HB genomi régiójáról, mivel a gyenge és/vagy steril utódokat a keresztezés után a korai generációkban ki kellett volna választani. Ezért, ha ilyen szelekciós sémát alkalmazunk, néhány fontos szelekciós jelöltről le kell mondanunk. Alternatív megoldásként nemkívánatos jelölteket szelektálhatunk úgy, hogy a HB a későbbi generációkban válik nyilvánvalóvá.

Elbeszélgetés

A témával kapcsolatos korlátozott számú vizsgálat ellenére úgy tűnik, hogy a rizskeresztezésekben a HB alapjául szolgáló lókuszok inkább diverzifikáltak, mint közösek (1. táblázat és 1. ábra). A fent leírtak szerint a HB-hez kapcsolódó allélok keresztszülők közötti eloszlásáról szóló információnak előfeltételnek kell lennie a rizsnemesítésben, különösen a genomikai támogatású nemesítés hatékonyságának maximalizálásához. Ezért szükség van a HB további kimutatására rizskeresztezésekben és a felelős gének feltérképezésére a rizs genomjában. Arabidopsis hibridekben az R génekre és a velük kölcsönhatásban lévő génekre vonatkozó ilyen adatokat széles körben felmérték (Alcázar et al., 2010, 2014; Chae et al., 2014). A Yamamoto és munkatársai (2010) által egy rizshibridben a hbd2 génről készített jelentés jó példa az SNP-táblázatok vagy amplikonszekvenálás segítségével végzett átfogó felmérésre (1C. ábra). A hbd3 és a hsa1 gének szintén jelöltek az ilyen típusú felmérésre. Végül olyan kritériumok kidolgozása, amelyek lehetővé teszik a HB előrejelzését a szülői vonalak genomikai információi alapján, fontos eszközként fog szolgálni a genomika-alapú nemesítéshez. Még ha az okozó tényezőt nem is sikerült egyetlen génként azonosítani, a szorosan összefüggő markerek, például az egynukleotid-polimorfizmusok, hatékonyak lesznek a HB-val összefüggő haplotípusok osztályozásában, mivel a termesztett rizs kapcsolati egyenlőtlensége a becslések szerint 100-200 kb-ig terjed, bár a vadon élő fajok (például az O. rufipogon) több tíz kb-ra is kiterjedhet (Mather et al., 2007; McNally et al., 2009; Huang et al., 2010). Ez az információ lehetővé teszi a hatékonyabb és eredményesebb keresztezés-kombináció tervezését.

A HB-hez kapcsolódó lókuszok feltérképezéséhez, valamint a hagyományos kapcsoltsági térképezéshez (például a mennyiségi tulajdonságlókuszok elemzéséhez) hasznos lehet a következő generációs szekvenálással végzett bolyhos szegregátumelemzés, mivel a HB szegregátumok gyakran megkülönböztethető tulajdonságokat mutatnak (olyan tulajdonságok tekintetében, mint a növénymagasság, a tőrök száma és a termékenység) a normál növekedésű szegregátumoktól az egyes keresztezési populációkban. A laboratóriumi és rizsföldön végzett fenotipizálásban fontos szerepet játszhat a digitális kamerával és drónrakodással történő képalkotó adatgyűjtés is. Ezek az erőfeszítések nemcsak a rizsnemesítők, hanem az evolúcióbiológusok számára is értékes információkkal fognak szolgálni.

Ezeken túlmenően, ha egy HB-asszociált allélt azonosítanak, a génbontás ionnyalábbal vagy genomszerkesztéssel segíthet a HB leküzdésében, amint azt a rizs F1 hibridsterilitása példázza (Koide és mtsai., 2018; Xie és mtsai, 2019).

Adatok elérhetőségi nyilatkozata

Az ebben a tanulmányban bemutatott összes adatkészletet a cikk/kiegészítő anyag tartalmazza.

A szerző hozzájárulása

A szerző megerősíti, hogy ő a munka egyedüli szerzője, és jóváhagyta annak közzétételét.

Érdekellentét

A szerzők kijelentik, hogy a kutatást olyan kereskedelmi vagy pénzügyi kapcsolatok hiányában végezték, amelyek potenciális összeférhetetlenségként értelmezhetők.

Köszönet

Ezt a tanulmányt Dr. Darshan Brar emlékének ajánlom. Ő egy kiváló rizsnemesítő volt, aki erőteljesen vitte be a vadon élő fajok által hordozott hasznos géneket a fajtákba a reprodukciós korlátokon túl.